DE2713004A1

DE2713004A1 - Lage-messwertgeber fuer werkzeugmaschinen und messvorrichtungen oder -maschinen

Info

Publication number: DE2713004A1
Application number: DE19772713004
Authority: DE
Inventors: Francesco Germano; Giorgio Minucciani; Franco Sartorio
Original assignee: DEA Digital Electronic Automation SpA
Current assignee: DEA Digital Electronic Automation SpA
Priority date: 1976-04-02
Filing date: 1977-03-24
Publication date: 1977-10-13
Also published as: FR2346684A1; GB1527197A; US4096384A; IT1057830B; CH613395A5

Description

PATENTANWÄLTE HELBER 4 ZENZ - 6142 BENSHEIM AUERBACH · FASANENWEG 14 · TEL.: (O62 51) 7 41 06

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DEA DIGITAL ELECTRONIC AUTOMATION S.p.A., Strada Torino 70, 1-10 024 Monoalieri/Turin, Italien

Lage-Meßwertgeber für Werkzeugmaschinen und Meßvorrichtungen oder -maschinen

Die Erfindung betrifft einen Lage-Meßwertgeber für Werkzeugmaschinen und Meßvorrichtungen oder -maschinen, der durch optische Kopplung von fotoelektrischen Abtastköpfen und fotogravierten Meßskalen in einer neuen und speziellen Anordnung realisiert wird.

In Meßvorrichtungen oder Werkzeugmaschinen, bei denen es erforderlich ist, mit höchster Genauigkeit die Lage eines beweglichen Teils, beispielsweise eines Schlittens, relativ zu festen Bezugslagen zu kennen, werden gegenwärtig Zahnritzel-Zahnstangensystem als Lage-Meßwertgeber verwendet. Die Zahnstange wird dabei beispielsweise in einer parallel zur Schlittenbewegung verlaufenden Lage an der Vorrichtung befestigt und mit der Zahnstange kämmt «in dea Schlitten zugeordnetes Zahnritmel.

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Dei einer Verschiebung des Schlittens dreht aich das Zahnritzel um einen Winkel, der der Verschiebung des Schlittens proportional ist. Die mit derartigen Meßwertgebern erreichte Auflösung und demzufolge auch die Genauigkeit liegt in der Größenordnung von 1/1OO mm. Venn eine bessere Auflösung in der Größenordnung von Aim gefordert wird, werden Meßwertgeber verwendet, die von einer mit einem fotografischen Verfahren aufgebrachten optischen Meßskala und einem fotoelektrischen Abtastkopf gebildet werden. Die Meßskala ist eine isostatisch so am Aufbau der Vorrichtung befestigte Schiene, daß sie keinen Deformationen ausgesetzt ist, und sie ist in einem fotografischen Gravierverfahren mit dünnen parallelen in gleichmäßigem Abstand voneinander verlaufenden Linien oder Meßmarken versehen. Diese Meßskalen haben unterschiedliche Längen, jedoch werden sie Üblicherweise nicht in Längen von mehr als 3 m hergestellt, weil größere Längen zu Problemen bezüglich schwieriger thermischer Stabilisierung während des fotografischen Gravierverfahrens fUhren. Außerdem können dann Transportprobleme auftreten, die nicht ohne weiteres außer Acht gelassen werden können.

Venn das Bauelement, auf dem der Schlitten gleitet, sehr lang ist, beispielsweise 5 oder mehr Meter lang, ist es unmöglich, fotogravierte Meßskalen zu verwenden und es muß wieder auf die Zahnritzel-Zahnstangen-Kopplung zurückgegriffen werden, was aber wieder eine Verminderung der Auflösung bzw. Genauigkeit zur Folge hat.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Lage-Meßwertgeber für Werkzeugmaschinen und Meß vorrichtungen oder -maschinen anzugeben, der mit foto-

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elektrischen Abtastköpfen und fotogravierten optischen Meßskalen arbeitet, dabei aber an verschiebbaren Bauelementen beliebiger Länge eingesetzt werden kann, wobei gleichzeitig höchstmögliche Präzision sichergestellt sein soll, wie sie den fotogravierten Meßskalen der üblicherweise verwendeten Länge eigen ist.

Ausgehend von einem Lage-Meßwertgeber für Werkzeugmaschinen und Meßvorrichtungen oder -maschinen zur Messung von Verschiebungen eines ersten Teils relativ zu einem zweiten Teil wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßwertgeber wenigstens zwei auf dem ersten Teil fest angeordnete fotoelektrische Abtastköpfe und wenigstens zwei optisch mit den fotoelektrischen Abtastköpfen gekoppelte starr am zweiten Teil befestigte fotogravierte optische Meßskalen aufweist, und daß Wähleinrichtungen vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß sie als Ausgang die Signale eines der fotoelektrischen Abtastköpfe abgeben.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigtt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Meßvorrichtung, die mit einem erfindungsgemäßen Lage-Meßwertgeber versehen ist}

Fig. 2 eine Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Meßvorrichtung} und

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Lage-Meßwertgebers der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Meßvorrichtung deren brückenkranartiger Aufbau zwei horizontale Träger 1 und aufweist, von denen Jeder auf drei senkrechten Pfeilern J

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aufruht. Auf dem Oberteil der Träger 1 und 2 sind Schienen h angeordnet, auf denen zwei Schlitten 6 einer Brücke 8 gleitend verschiebbar angeordnet sind, wodurch die Brücke horizontal in Richtung der Träger 1 und 2 verschiebbar ist. In Längsrichtung der Brücke 8, d.h. rechtwinklig zu den Trägern 1 und 2 ist ein Sohlitten 9 mit einer auf ihm angeordneten senkrecht verschiebbaren Säule 10 verfahrbar. Am unteren £nde der Säule 10 ist ein Meßtaster angeschlossen.

Bei einer bekannten Ausführungsform einer solchen Meßvorrichtung, auf die hier Bezug genommen wird, haben die Träger 1 und 2 solche Länge, daß sie einen Arbeitehub der Schlitten 6 von 6 m zulassen.

Auf einer der Schienen h sind zwei fotogravierte Meßskalen 13 und lh bekannten Aufbaus befestigt, von denen Jeder eine Länge von etwas mehr als 1 m (beispielsweise 1,1 m) hat. Die Meßskalen verlaufen geradlinig parallel zu den Schienen h in einem Abstand von jeweils 2 m voneinander und 1m vom Mittelpunkt des Trägers 1. Auf der Außenseite des Schlittens 6 ist horizontal und parallel zu den Schienen k eine Stange 12 befestigt, die geringfügig länger als 2 m ist, und auf der in einem Abstand von jeweils 1 m voneinander drei fotoelektrische Abtastkopf e 15» i6 und 17 angeordnet sind.

Diese Abtastköpfe sind bekannte Bauelemente mit zwei Ausgängen, die la wesentlichen von jeweils einem auf fotoelektrisohe« Wege arbeitenden Abtastelement gebildet werden, und dl· eo angeordnet sind, daß das Abtastelement

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während der Verschiebung des Schlittens 6 an der Vorderseite der Meßskalen 13 und Ik entlanglauft.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Prüfschaltung des erfindungsgemäßen Meßwertgebers oder Meßwandlers.

Die beiden Ausgänge der fotoelektrischen Abtastköpfe 15, 16 und 17 sind an die Eingänge einer Auswahlschaltung 18 angeschlossen, die beispielsweise von einer Vielzahl von logischen Gattern gebildet wird, und an der ein Anschluß 21 von der Abtast-Prüfschaltung 22 angeschlossen ist. Die Eingänge dieser Schaltung 22 sind mit fünf Sensoren 23, 2k, 25, 26 und 27 verbunden, die beispielsweise von durch ein Betätigungselement am Schlitten 6 auelösbaren Mikroschaltern oder von Annäherungsschaltern gebildet werden, die von einem ebenfalls am Schlitten 6 befestigten Magneten ausgelöst werden. Die Sensoren sind in einem Abstand von jeweils 1 m voneinander entlang der Schiene k angeordnet. Wenn die Brücke 8 am linken Ende ihres Vorschubweges steht, steht der Abtastkopf 17 am linken Ende der Meßskala 13; wenn der Schlitten dann nach rechts läuft, zeigt der Abtastkopf 17 an seinen Ausgängen zwei Signale, von denen das erste von einer Anzahl von Rechteckimpulsen gebildet wird, die gleich der Zahl der Meßmarken auf der Meßskala I3 sind, über welcher der Abtastkopf hinweggetreten ist, während das zweite Signal dem ersten Signal im wesentlichen entspricht, jedoch abhängig von der Bewegungsrichtung des Schlittens 6 um 90 elektrisch vor- oder nacheilt. Die beiden Signale des Abtastkopfes 17 werden als Ausgangssignale an der Auswählschaltung 18 abgegeben, die an eine an sich bekannte und in Fig. 3 nicht gezeigte Vorrichtung, beispielsweise einen elektronischen Prozeßrechner angeschlossen ist, welche die Lage der Brücke mit einer Auflösung oder Genauigkeit von beispielsweise 1 /um bestimmt und angibt.

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Bei weiterer Verschiebung der Brücke 8 nach rechte gelangt der Abtastkopf 17 an das rechte Ende der Meßskala 13, während der Abtastkopf 16 am Anfang des linken Endes dieser Meßskala steht (, wobei festzuhalten ist, daß der Abstand zwischen dem Abtastköpfen 16 und 17 1 m beträgt, während die Länge der Meßskala 13 etwas größer als 1 m ist). An diesem Punkt wird der Sensor 23 angesteuert und erzeugt einen Impuls, durch den der Abtast-PrUfschaltung 22 angezeigt wird, daß der Abtastkopf seine Abtastfunktion begonnen hat. Ein Über die Verbindung 21 gesandtes Steuersignal erzeugt eine Umschaltung in der Schaltung 18, die im Ausgang dann das Signal des Abtastkopfes 16 abgibt. Auf diese Weise wird die Abtastfunktion niemals unterbrochen, obgleich die optische Meßskala sich nicht Über die gesamte Länge des Trägers k erstreckt. Bei weiterer Bewegung der Brücke 8 nach rechts wird auf ein Signal des Sensors 2k hin die Abtastung vom Abtastkopf 15 in Funktion gesetzt. Wenn der Abtastkopf 15 dann das rechte Ende der Meßskala 13 erreicht, erreicht der Abtastkopf 17 das linke Ende der Meßskala 1U und die Abtastfunktion wird nun auf ein entsprechendes Signal des Sensors 25 hin vom Abtastkopf 17 übernommen.

In ähnlicher Weise werden die Ausgangssignalβ der Auswahlschaltung 18 aufeinanderfolgend auf die Abtastköpfe und 15 wirksam, bis das rechte Ende des Hubes des Schlittens erreicht ist. Während der Rückwärtsverschiebung der Brücke 8 von rechts nach links findet die vorstehend beschrieben· Schrittfolge in umgekehrter Reihenfolge statt.

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Der maximale Fehler, der während des Abtastvorgangs zwischen zwei verschiedenen Abtastköpfen auftreten kann, liegt bei einer Maßeinheit der Auflösung, d.h. 1 ,um. Dieser Fehler, der nur örtlich auftritt, erzeugt eine Verzerrung des Ausgangssignals, wie im Umschaltzeitpunkt A in Fig. 3 zu erkennen ist. Dieser Fehler kann durch Einstellen des Abstands zwischen den Abtastköpfen mittels einer Mikrometerschraube elimeniert werden. Darüber hinaus tritt dieser Fehler auch nicht kumulativ auf, da der Schlitten bei seiner Verschiebung in Rückwärtsrichtung infolge der Schaltstellung mit entgegengesetztem Vorzeichen in gleicher Größe wirkt, so daß der Fehler sich selbst korrigiert.

Der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Lage-Meßwertgeber kann bei Arbeitswegen von verschiebbaren Schlitten von beliebiger Länge eingesetzt werden, wobei eine Auflösung von 1 /um sichergestellt wird, indem in sehr einfacher Weise die Länge der fotogravierten optischen Meßskalen und die Anzahl der fotoelektrischen Abtastköpfen variiert wird. Und zwar ergibt die Anzahl der fotoelektrischen Abtastköpfe multipliziert mit der Länge einer optischen Meßskala einen fiktiven Längenwert der optischen Meßskala, der bestimmt ist von den aufeinanderfolgenden Durchgängen der verschiedenen Abtastköpfe. Die erforderliche Gesamtzahl der optischen Meßskalen wird daher durch Teilen des Gesamthubes des Schlittens durch diesen fiktiven Längenwert erhalten. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Enden der Meßskalen muß also gleich oder etwas kleiner als der Abstand zwischen den fotoelektrischen End-Abtastkopfen sein, wobei die Abtastköpfe relativ zueinander in einem Abstand anzuordnen sind, der gleich der Länge der optischen Meßskala ist. Ale vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Werte so bestimmt werden, daß die Länge der

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fotogravierten optischen Meßskala mit 1 m gewählt wird. Mit dieser Länge können die hier in Frage stehenden Meßskalen mit hoher Präzison hergestellt werden. Der wirtschaftliche Vorteil, der durch Reduzierung der Länge der Meßskalen infolge der erhöhten Zahl von fotoelektrischen Abtastköpfen erreicht wird, ist erheblich. Die Kosten für 1 m Meßskala liegen in der Praxis in der Größenordnung der Kosten für drei Abtastköpfe. In einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art können die Kosten für den Meßwertgeber auf etwa die Hälfte der Kosten für eine solche Vorrichtung vermindert werden, wenn diese in bekannter Weise mit nur einem Abtastkopf ausgerüstet ist. Allerdings existiert eine Grenze für den durch die Erhöhung der Anzahl von Abtastköpfen erreichten wirtschaftlichen Vorteil. Von einer bestimmten Anzahl von Abtastköpfen an aufwärts ermöglicht eine weitere Vermehrung, nämlich nur noch geringe Verminderungen der Länge der fotogravierten Meßskalen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß eine höhere Anzahl von Abtastköpfen eine größere Komplexität der Verfahrensabläufe und höhere Kosten für die Auswahlschaltung zur Folge hat. Die Optimierung der Kosten im Falle des gezeigten Ausführungsbeispiels wird mit drei fotoelektrischen Abtastköpfen und zwei fotogravierten Meßskalen mit Jeweils einer Länge von 1 m erreicht, wobei ein Arbeitshub des Schlittens von 6 m erreicht wird. Der Lage-Meßwertgeber gemäß der Erfindung, der vorstehend in einem Anwendungsfall für die Messung von Verschiebungen entlang der größeren Achse der Vorrichtung beschrieben wurde, ist in gleicher Weise geeignet zur Messung von Verschiebungen entlang von zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsen oder zur Messung entlang kreisförmiger Oberflächenbahnen.

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Es ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Lage-Meßwertgeber im Rahmen des Erfindungsgedankens abgewandelt und weitergebildet werden kann. So können die Sensoren beispielsweise von auf den optischen Meßskalen fotogravierten Meßmarken gebildet werden, deren Lage von den sie überfahrenden Abtastköpfen ermittelt und in geeigneter Weise an die Abtast-Prüfschaltung 22 gegeben wird. So können beispielsweise zwei Bezugsmarken vorgesehen tein, von denen Jede jeweils einem Ende der Meßskala zugeordnet ist und die einen Abstand von 1 m voneinander haben. In diesem Fall wird das Signal, welches anzeigt, daß eine Bezugsmarke erreicht wurde, gleichzeitig auf zwei Abtastköpfen erhalten, von denen der eine der Abtastkopf ist, dessen Ausgang an diesem Punkt am Ausgang der Schaltung 18 erscheint. An diesem Punkt erfolgt Über die Schalking 22 eine Umschaltung in der Schaltung 18, wodurch das vom anderen Abtastkopf ankommende Signal nunmehr zum Ausgangesignal wird.

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Claims

271.00/, Patentansprüche

1. Lage-Meßwertgeber für Werkzeugmaschinen und Meßvorrichtungen oder -maschinen zur Messung von Verschiebungen eines ersten Teils relativ zu einem zweiten Teil, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber wenigstens zwei auf dem ersten Teil (6, 8, 12) fest angeordnete fotoelektrische Abtastköpfe (15> i6j 17) und wenigstens zwei optisch mit den fotoelektrischen Abtastköpfen gekoppelte starr am zweiten Teil (1, 2, 3, k) befestigte fotogravierte optische Meßskalen (131 1*0 aufweist, und daß Auswahleinrichtungen vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß sie als Ausgang die Signale eines der fotoelektrischen Abtastköpfe (15| 16| 17) abgeben.

2. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Abtastköpfe (15| i6j 17) in gleichmäßigem Abstand in einer Entfernung voneinander angeordnet sind, die geringfügig kleiner als die Lange einer der fotogravierten optischen Meßskalen (i3l 1*0 ist.

3. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Enden der optischen Meßskalen (i3j lU) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der gleich oder nur geringfügig kleiner als der Abstand zwischen den äußersten fotoelektrischen Abtastköpfen (15j 16| 17)

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ORfGfNAL INSPECTED

4. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal meßbare Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen (6, 8, 12} 1» 2, 3 , k) gegeben ist durch die Formel L χ η χ η , wobei L die Länge der fotogravierten optischen Meßskalen (13| 1 4) , ^ητ gleich der Zahl

Lj

der optischen Meßskalen (13| lh) und n_ gleich der

Zahl der fotoelektrischen Abtasteinrichtungen (15j 16 j 17) ist.

5. Lage-Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer fotogravierten optischen Meßskala (131 1*0 etwas größer als 1 m ist.

6. Lage-Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil ein verschieblicher Schlitten (6) der Meßvorrichtung ist, während der zweite Teil mit einem feststehenden Aufbau der Meßvorrichtung verbunden ist.

7. Lage-Meßwertgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahleinrichtungen eine Auswahlschaltung (18) und Steuereinrichtungen (22 bis 27) für die Auswahlschaltung (18) aufweisen.

8. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen eine Vielzahl von Sensoren (23 bis 27) aufweisen, deren Zahl gleich der Gesamtzahl der fotoelektrischen Abtastköpfe (151 16| 17) multipliziert mit der Gesamtzahl der fotogravierten optischen Meßskalen (13} 1*0 abzüglich einer Einheit ist, und die so angeordnet sind, daß sie sich selbst aktivieren, wenn die Abtastköpfe (15J 16| 17) im wesentlichen ein Ende der Meßskalen (13l Ik) eiraicht haben.

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9. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 8, dadurch gekonnzeichnet, daß die Sensoren (23 bis 27) von auf dem festen Teil angeordneten und von dem beweglichen

Teil (6) zugeordnet« fietätigungselementen ausgelösten

Mikroschaltern gebildet sind.

10. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (23 bis 27) auf dem festen Teil angeordnete Annäherungsschalter sind, die von starr am beweglichen Teil (6) angeordneten Magneten ausgelöst werden.

11. Lage-Meßwertgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen auf den optischen Meßskalen (i3| 14) fotogravierte Bezugsmarken aufweisen, die von den fotoelektrischen AbtastkBpfen (15| 16| 17) abtastbar sind.

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