DE19919042A1

DE19919042A1 - Thermisch kompensiertes Meßsystem

Info

Publication number: DE19919042A1
Application number: DE1999119042
Authority: DE
Inventors: Guenther Nelle
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-02

Abstract

Das erfindungsgemäße Meßsystem weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen einen wesentlich vereinfachten Abtastkopf auf, der dennoch eine Kompensation von thermisch bedingten Fehlern ermöglicht. Erfindungsgemäß wird zunächst bei einer Referenztemperatur der Abstand zwischen zwei Abtaststellen ermittelt und im späteren Betrieb aus der Änderung des Abstands zwischen den beiden Abtaststellen im Vergleich zum Referenzabstand die gegenwärtige Temperatur berechnet. Bei Kenntnis der gegenwärtigen Temperatur kann dann ein Meßwert des Meßsystems temperaturkompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermisch kompensiertes Meßsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Durchführung der ther mischen Kompensation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Aus der DE 198 57 132 ist bereits bekannt temperaturbedingte Maßabwei chungen parallel angeordneter Meßsysteme zu kompensieren. Insbeson dere bei Maschinen mit einer sogenannten Gantry-Struktur, bei denen ent lang den beiden Gantry-Achsen Meßsysteme parallel zueinander angeord net sind, kommt es aufgrund einer örtlich unterschiedlichen Temperaturver teilung in der Maschine zu örtlich unterschiedlichen temperaturbedingten Ausdehnungen, insbesondere der Maßstäbe. Werden die Meßwerte der Meßsysteme zur Regelung der Antriebe an den Gantry-Achsen benutzt, kann dies zu einem Verkanten der entlang den Gantry-Achsen bewegten Baugruppen führen. Um die thermisch bedingte Verschiebung der parallel angeordneten Meßsysteme zu kompensieren ist daher vorgesehen, zusätz liche Meßgeräte an einer temperaturstabilen Verbindungsbrücke zwischen den beiden parallel angeordneten Meßsystemen vorzusehen. Diese zusätz lichen Meßgeräte ermitteln dann die temperaturbedingte relative Verschie bung der parallel angeordneten Meßsysteme zueinander, so daß diese kompensiert werden kann.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Anordnung ermöglicht lediglich die Kompensation temperaturbedingter relativer Verschiebungen zwischen parallel angeordneten Meßsystemen. Eine temperaturbedingte Längenände rung eines Maßstabs eines einzelnen Meßsystems kann derart nicht kom pensiert werden.

Aus der DD 248 865 ist eine Kompensation von temperaturbedingten Län genänderungen bei einem Meßsystem bekannt. Es handelt sich dabei um ein Längenmeßsystem, welches aus einem Maßstab mit einer Teilung und einem Abtastkopf zur Abtastung der Teilung des Maßstabs besteht. Der Abtastkopf weist vier Abtaststellen auf, von denen jeweils zwei auf einem Abtastträger angeordnet sind, der einen definierten Abstand zwischen den Abtaststellen einstellt. Die beiden Abtastträger weisen unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch werden bei einer Tem peraturänderung der beiden Abtastträger die beiden definierten Abstände zwischen den jeweils zwei auf einem Abtastträger vorgesehenen Abtaststel len unterschiedlich verändert. Aus dieser Differenz der temperaturbedingten Verschiebung der zwei Abtaststellen des ersten und zweiten Abtastträgers kann die Temperaturänderung berechnet werden. Auf Basis der derart berechneten Temperaturänderung kann anschließend das Meßergebnis temperaturkompensiert werden.

Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß vier Abtaststellen auf zwei Abtastträgern mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten im Abtastkopf erforderlich sind. Dadurch wird der Abtastkopf relativ groß und kostspielig in der Realisierung.

Es stellt sich daher die Aufgabe, ein temperaturkompensiertes Meßsystem anzugeben, das relativ kostengünstig und kompakt realisiert werden kann. Insbesondere soll eine möglichst geringe Anzahl Abtaststellen auf möglichst nur einem einzigen Abtastträger realisiert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein temperaturkompensiertes Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Temperaturkompensa tion bei einem Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen temperaturkom pensierten Meßsystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Merkmalen der jeweils abhängigen Ansprüche zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße temperaturkompensierte Meßsystem weist den Vorteil auf, daß lediglich zwei Abtaststellen auf einem Abtastträger im Abtastkopf erforderlich sind, um eine Temperaturkompensation durchzufüh ren. Dadurch kann der Abtastkopf wesentlich kleiner und kostengünstiger realisiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den jeweils abhängigen Ansprü chen und der Beschreibung zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird in einem Referenzierungsschritt, der beispielsweise noch beim Hersteller erfolgen kann, bei einer Referenztemperatur der Refe renzabstand zwischen zwei Abtaststellen eines Abtastkopfes unter Benut zung des Maßstabs ermittelt. Referenztemperatur und Referenzabstand werden in einer Auswerteeinheit gespeichert. Weiterhin werden dort die Temperaturausdehnungskoeffizienten des Abtastträgers und des Maßstab trägers gespeichert. Während dem normalen Betrieb wird dann in bestimm ten Zeitabständen der aktuelle Abstand zwischen den beiden Abtaststellen des Abtastkopfes bestimmt und unter Benutzung der gespeicherten Grössen die Temperatur des Meßsystems berechnet. Aufgrund dieser Temperatur kann dann die Ausdehnung des Maßstabträgers berechnet und kompensiert werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen temperaturkom pensierten Meßsystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

Fig. 1 die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes temperaturkom pensiertes Längenmeßsystem und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes temperatur kompensiertes Längenmeßsystem.

Das erfindungsgemäße thermisch kompensierte Meßsystem wird im fol genden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das ein Längenmeß system beinhaltet. Es besteht jedoch die Möglichkeit, ohne wesentliche Änderungen, das erfindungsgemäße thermisch kompensierte Meßsystem auch als Winkelmeßsystem oder zweidimensionales Meßsystem auszuge stalten.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Baugruppen des erfindungsgemäßen ther misch kompensierten Meßsystems schematisch in einer Draufsicht darge stellt. Der Abtastkopf 1 weist zwei Abtasteinheiten 1.1 und 1.2 auf, die in einem Abstand a₀ in Meßrichtung auf einen Abtastträger 1.3 angeordnet sind. Der Abtastträger 1.3 ist aus einem Material gefertigt, welches einen Temperaturausdehnungskoeffizienten α_A aufweist. Darunter ist ein Maßstab 2 angeordnet, der eine Maßstabteilung 2.1 aufweist, die in Meßrichtung auf einem Maßstabträger 2.2 angeordnet ist. Der Maßstabträger 2.2 weist einen Temperaturausdehnungskoeffizienten α_M auf, der unterschiedlich ist zum Temperaturausdehnungskoeffizienten α_A des Abtastträgers 1.3. Vorteilhaft wird der Abtastträger aus Zerodur gefertigt, welches einen Temperaturaus dehnungskoeffizienten α_A von Null aufweist und der Maßstabträger 2.2 aus herkömmlichen Floatglas, das einen Temperaturausdehnungskoeffizienten α_M von 7,5 K^-1 aufweist.

Um eine relative Verschiebung zwischen zwei Baugruppen mit diesem Län genmeßsystem in Meßrichtung zu erfassen, wird der Abtastkopf 1 an einer ersten Baugruppe und der Maßstab 2 an einer zweiten Baugruppe befestigt, die in Meßrichtung relativ zueinander verschoben werden.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein erfindungsgemäßes thermisch kompen siertes Meßsystem dargestellt. Der Abtastkopf 1 mit seinen beiden Abtast einheiten 1.1 und 1.2, die in Meßrichtung mit einem Abstand a₀ zueinander auf einem Abtastträger 1.3 angeordnet sind, befinden sich über einem Maß stab 2, der eine Teilung 2.1 aufweist, die auf einem Maßstabträger 2.2 auf gebracht wurde. Der Abtastträger 1.3 weist einen ersten Temperaturaus dehnungskoeffizienten α_A und der Maßstabträger 2.2 einen zweiten Tempe raturausdehnungskoeffizienten α_M auf. In Fig. 2 ist ein Durchlichtsystem dargestellt, bei dem insbesondere die Abtasteinheiten 1.1 und 1.2 von der dem Maßstab 2 gegenüberliegenden Seite mit Lichtbündeln h.ν bestrahlt werden, die durch den Abtastkopf 1 und den Maßstab 2 mit mehr oder weni ger starker Intensität hindurch treten und dann auf Detektoren 3.1 und 3.2 treffen. Die Detektoren 3.1 und 3.2 sind mit einer Auswerteeinheit 4 verbun den, an die sie ein zur Intensität der Lichtbündel h.ν proportionales Signal ausgeben.

Im folgenden wird das Verfahren zur Temperaturkompensation mit dem erfindungsgemäßen Meßsystem beschrieben.

In einem ersten Referenzierungsschritt, der unmittelbar nach Herstellung des Meßsystems erfolgen kann, wird der definierte Abstand a₀ zwischen den beiden Abtasteinheiten 1.1 und 1.2 des Abtastkopfs 1 ermittelt. Dabei wird das gesamte Meßsystem zunächst auf eine konstante Referenztemperatur T₀, vorzugsweise 20°Celsius, gebracht. Dann wird unter Verwendung des vorhandenen Maßstabs 2 der Referenzabstand a₀ bestimmt. Bei Verwen dung von einem codierten Maßstab 2 wird dabei die Differenz aus den Abtastwerten der beiden Abtasteinheiten 1.1 und 1.2 berechnet. Diese in der Auswerteeinheit 4 berechnete Differenz ist der Referenzabstand a₀ bei der Referenztemperatur T₀. Wird ein inkrementaler Maßstab 2 verwendet, so wird beim Überfahren einer Referenzmarke durch eine erste Abtaststelle ein Zähler gestartet und beim Überfahren der gleichen Referenzmarke durch die zweite Abtaststelle der Zähler angehalten. Die Zähleranzeige entspricht dann dem Referenzabstand a₀ bei der Referenztemperatur T₀. Der Zähler kann dabei in der Auswerteeinheit 4 integriert sein. Referenzabstand a₀, Referenztemperatur T₀ und die Temperaturausdehnungskoeffizienten α_A und α_M von Abtastträger 1.3 und Maßstabträger 2.2 werden in einem vor zugsweise digitalen Speicher gespeichert, der vorzugsweise mit der Aus werteeinheit 4 verbunden ist.

Sind die Temperaturausdehnungskoeffizienten des Abtastträgers α_A und des Maßstabträgers α_M bekannt, kann dann im normalen Betrieb aus einem aktuell ermittelten Abstand a₁ zwischen den beiden Abtasteinheiten 1.1 und 1.2 die Temperatur T₁ des Meßsystems nach Gleichung (1) ermittelt werden:

Aus Gleichung (1) kann ein Korrekturwert K₁ bestimmt werden zu:

Dabei wird davon ausgegangen, daß Maßstab 2 und Abtastkopf 1 die glei che Temperatur T, aufweisen. Aus dieser ermittelten Temperatur T₁ kann anschließend der Positionswert x_T0, bezogen auf einen temperaturunabhän gigen Fixpunkt x₀ des Maßstabs 2 temperaturkompensiert auf die Tempera tur T₀ nach Gleichung (3) ermittelt werden:

Dabei ist x_T1 der bei der Temperatur T₁ angezeigte Positionswert.

Sollen die Meßwerte an eine Ausdehnung eines zu bearbeitenden Werk stücks, das einen Temperaturausdehnungskoeffizienten α_w aufweist, ange glichen werden, kann unter der Voraussetzung gleicher Temperatur an Werkstück und Maßstab gemäß Gleichung (4) ein thermisch kompensierter werkstückbezogener Meßwert x_W0 berechnet werden:

Derart ist auch bei Werkzeugmaschinen mit Gantry-Achsen, die unter schiedliche Temperaturen aufweisen und bei denen jede Achse mit einem Meßsystem ausgestattet ist, eine Korrektur der Positionswerte möglich, um eine Schiefstellung des parallel zu den Gantry-Achsen verfahrenen Schlit tens zu verhindern. Wenn beide Meßsysteme für die Gantry-Achsen am Anfang des Maßstabs ihren Fixpunkt aufweisen, wird ohne Temperatur kompensation der Schlitten auf beiden Gantry-Achsen auf dem Meßwert x positioniert, was bei unterschiedlichen Temperaturen der beiden Meßsy steme eine Schiefstellung des Schlittens bedeutet. Um den Schlitten senk recht zu den Gantry-Achsen zu positionieren, muß in der ersten Achse die Position x um der Wert x₁ und in der zweiten Achse die Position x um den Wert x₂ korrigiert werden, bzw. eine Achse um den Betrag x₁-x₂ korrigiert werden. x₁ und x₂ berechnen sich wie folgt aus dem ursprünglichen Meßwert x und der individuellen Temperatur T, und T2, die gemäß Gleichung (2) eingeht:

Mit K₁ = T₁ - T₀ und K₂ = T₂ - T₀.

Die Berechnung der Werte zur thermischen Kompensation erfolgt im Meß system während der Messung, so daß das Meßsystem nur temperaturkom pensierte Werte an eine eventuell angeschlossene Steuerung ausgibt und diese derart von Rechenaufgaben entlastet.

Claims

1. Thermisch kompensiertes Meßsystem,
das einen Maßstab (2) und einen Abtastkopf (1) aufweist, welcher den Maßstab (1) abtastet, um eine Relativbewegung zwischen einer Bau- gruppe, an der der Maßstab (2) befestigt ist und einer Baugruppe, an der der Abtastkopf (1) befestigt ist, zu erfassen,
bei dem der Maßstab (2) einen Maßstabträger (2.2) mit einem ersten Temperaturausdehnungskoeffizienten (α_M) und mindestens eine Maß stabteilung (2.1) und der Abtastkopf (1) Abtasteinheiten (1.1, 1.2) und einen Abtastträger (1.3) mit einem zweiten Temperaturausdehnungs koeffizienten (α_A) aufweist, wobei durch den Abtastträger (1.3) ein defi nierter Abstand (a₀) zwischen den Abtasteinheiten (1.1, 1.2) eingestellt wird,
bei dem Detektoreinheiten (3.1, 3.2) für die Abtastsignale vorgesehen sind, deren Ausgangssignale einer Auswerteeinheit (4) zugeleitet wer den dadurch gekennzeichnet,
daß der Abtastkopf (1) zwei Abtasteinheiten (1.1, 1.2) aufweist, daß zwei Detektoreinheiten (3.1, 3.2) vorgesehen sind und daß die Auswer teeinheit (4) ausgestaltet ist, um aus der Relativverschiebung des Maß stabs (2) zu den beiden Abtaststellen (1.1, 1.2) die Temperatur (T) zu berechnen und das Meßergebnis thermisch zu kompensieren.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastträger (1.3) aus Zerodur besteht und einen Temperaturausdeh nungskoeffizienten (α_A)von ungefähr Null aufweist.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstabträger (2.2) aus Floatglas besteht und einen Temperaturaus dehnungskoeffizienten (α_M) ungleich Null aufweist.

4. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Längen- oder Winkelmessung ausgestaltet ist.

5. Verfahren zur thermischen Kompensation von Ausgangssignalen eines Meßsystems, bei dem in Meßrichtung der Unterschied in der thermisch bedingten Ausdehnung von zwei Trägern mit bekannten, unterschiedli chen Temperaturausdehnungskoeffizienten (α_A, α_M) ermittelt wird und daraus eine thermische Kompensation berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied in der thermisch bedingten Ausdehnung zwischen Abtastträger (1.3) und Maßstabträger (2.2) ermittelt wird, daraus die Temperatur (T) berechnet wird und das Meßergebnis aufgrund der Temperatur (T) thermisch kompensiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß einmalig in einem Referenzierschritt bei bekannter Referenztemperatur (T₀) unter Benutzung des Maßstabs (2) ein Referenzabstand (a₀) zwischen den beiden Abtasteinheiten (1.1, 1.2) des Abtastkopfes (1) ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der bekannten Referenztemperatur (T₀), dem bekannten Referenzabstand (a₀), dem bekannten Temperaturausdeh nungskoeffizienten (α_A) des Abtastträgers (1.3), dem bekannten Tempe raturausdehnungskoeffizienten (α_M) des Maßstabträgers (2.2) und dem gemessenen Abstand (a₁) die gegenwärtige Temperatur (T₁) gemäß der Gleichung
berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Temperatur (T₁) an Werkstück und Maßstab (2) und bei bekanntem Temperaturausdehnungskoeffizienten (α_w) des Werkstückmaterials eine thermische Kompensation des Meßwerts x_T1 gemäß der Gleichung
erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der ermittelten gegenwärtigen Temperatur (T₁) der detektierte Positionswert (x(T₁)) in der Auswerteeinheit (4) gemäß der Gleichung
temperaturkompensiert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Längen-, Winkel- oder zweidimensio nalen Meßsystem angewendet wird.