DE3409298C1

DE3409298C1 - Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE3409298C1
Application number: DE19843409298
Authority: DE
Inventors: Günther Dr.-Ing. 8221 Bergen Nelle
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1984-03-14
Filing date: 1984-03-14
Publication date: 1985-08-29

Description

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einer Positionsmeßeinrichtung, bei der die Teilung eines Teilungsträgers außerhalb der neutralen Ebene liegt, mit einfachen herkömmlichen Mitteln genaue Positionsmeßwerte auch bei Verbiegungen des Teilungsträgers ermittelt werden können. Eine von der Führung des zu messenden Objekts unabhängige Hilfsführung für die Abtasteinrichtung und eine gelenkige Ankopplung der Abtasteinrichtung in der neutralen Ebene des Teilungsträgers sowie teure Maßstäbe mit in der neutralen Ebene liegenden Teilungsebenen sind nicht mehr erforderlich, so daß sich insgesamt eine einfacher aufgebaute und preiswertere Positionsmeßeinrichtung ergibt. Da die Abtasteinrichtung ohne Kupplung und ohne Hilfsführung direkt mittels der Führung der zu messenden Objekte verschiebbar ist, ergeben sich bei der Umkehrung der Meßrichtung keine Umkehrfehler, die durch Reibung der Hilfsführung und durch Verformung der Kupplung auftreten können, so daß die Meßgenauigkeit weiter erhöht wird. Zudem arbeitet die Meßeinrichtung ohne Verschleiß.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine lichtelektrische Längenmeßeinrichtung im Querschnitt, F i g. 2 schematisch eine Abtasteinrichtung der Längenmeßeinrichtung, F i g. 3a, b einen Maßstab in einer Draufsicht und in einem Querschnitt, F i g. 4a, b einen Maßstab mit Merkmalen der Erfindung in einer Draufsicht und in einem Querschnitt, F i g. 5 schematisch eine Abtasteinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung und F i g. 6 schematisch eine weitere Abtasteinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung.
In F i g. list eine bekannte lichtelektrische Längenmeßeinrichtung im Querschnitt dargestellt, deren Gehäuse 1 in Form eines Hohlprofils an einem Bett 2 einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine mittels Schrauben 3 befestigt ist. An einem Schlitten 4 der Bearbeitungsmaschine ist ein Montagefuß 5 mit einem Mitnehmer 6 in beliebiger Weise befestigt, der über eine schwertförmige Verjüngung 7 durch einen Schlitz 8 in das ansonsten vollkommen geschlossene Gehäuse 1 hineinragt, wobei im Schlitz 8 vorgesehene elastische Dichtlippen 9 ein Eindringen von Verunreinigungen in das Innere des Gehäuses 1 verhindern. An einer Innenfläche des Gehäuses 1 ist ein Maßstab 10 mittels einer elastischen Klebeschicht 11 angebracht, auf dem sich eine Abtasteinrichtung 12 über Rollen 13 abstützt. Die Relativbewegung des Schlittens 4 bezüglich des Betts 2 wird vom Mitnehmer 6 auf die Abtasteinrichtung 12 über eine nicht gezeigte Kupplung übertragen.
Gemäß F i g. 2 sind zur Abtastung der Teilung 14 des Maßstabs 10 in der Abtasteinrichtung 12 eine Beleuchtungseinheit 15, ein Kondensor 16, eine Abtastplatte 17 mit einer Teilung 18 und ein Photoelement 19 angeordnet. Die Teilung 18 der Abtastplatte 17 ist mit der Teilung 14 des Maßstabs 10 identisch. Der von der Beleuchtungseinheit 15 ausgehende Lichtstrom wird vom Kondensor 16 parallel gerichtet, durchsetzt die Teilungen 14, 18 des Maßstabs 10 und der Abtastplatte 17 und fällt anschließend auf das Photoelement 19. Bei der Relativbewegung des Maßstabs 10 bezüglich der Abtastplatte 17 in Meßrichtung Xwird der Lichtstrom an den Teilungen 14, 18 moduliert, so daß das Photoelement 19 ein periodisches elektrisches Analogsignal Sliefert, das ausgewertet, gezählt und in digitaler Form als Positionsmeßwert zur Anzeige gebracht werden kann.
In Fig. 3a ist der Maßstab 10 nach Fig. 2 in einer Draufsicht und in F i g. 3b in einem Querschnitt dargestellt. Die Teilung 14 des Maßstabs 10 besteht für eine Durchlichtabtastung aus lichtundurchlässigen Streifen (dunkle Felder) und lichtdurchlässigen Streifen (helle Felder) mit einer Längserstreckung quer zur Meßrichtung X, die abwechselnd in Meßrichtung Xaufeinanderfolgen. In F i g. 2 und in F i g. 3b ist die neutrale Ebene 21 des Rechteckprofils des Maßstabs 10 dargestellt, die parallel zur Teilungsebene 20 mit der Teilung 14 in Längserstreckung (Meßrichtung X) des Maßstabs 10 verläuft. Bei Verbiegungen des Maßstabs 10 in der Gebrauchslage im Gehäuse 1 um Drehachsen parallel zur neutralen Ebene 21 und senkrecht zur Meßrichtung X unterliegt die Teilungsebene 20 mit der Teilung 14 Dehnungen und Stauchungen, die Meßfehler zur Folge haben können, während die neutrale Ebene 21 keine solche Stauchungen und Dehnungen erfährt.
Da die neutrale Ebene NE eines Maßstabs M im allgemeinen als Teilungsebene für die Meßteilung nicht zur Verfügung steht, besteht erfindungsgemäß nach den Fig. 4-6 die Meßteilung des Maßstabs M aus wenigstens einer ersten Teilung T1 in einer ersten Teilungsebene TE1 und aus wenigstens einer zweiten Teilung T2 in einer zweiten Teilungsebene TE2. Die erste Teilung T des Maßstabs Mwird von einer ersten Abtasteinheit AEI der Abtasteinrichtung A und die zweite Teilung T2 von einer zweiten Abtasteinheit AE2 abgetastet; die bei dieser Abtastung von den beiden Abtasteinheiten AE1, AE2 gelieferten periodischen Analogsignale S1, S2 werden zur Bildung von exakten Positionsmeßwerten PM herangezogen.
In F i g. 4a ist der Maßstab Min einer Draufsicht und in F i g. 4b in einem Querschnitt dargestellt. Die erste Teilungsebene TEI mit der ersten Teilung T1 und die zweite Teilungsebene TE2 mit der zweiten Teilung T2 sind symmetrisch zur neutralen Ebene NEdes Maßstabs M angeordnet. Die beiden Teilungen Tl, T2 des Maßstabs M bestehen für eine Durchlichtabtastung ebenfalls aus lichtundurchlässigen Streifen (dunkle Felder) und lichtdurchlässigen Streifen (helle Felder) mit einer Längserstreckung quer zur Meßrichtung X, die abwechselnd in Meßrichtung Xaufeinanderfolgen.
Für eine Auflichtabtastung werden die lichtundurchlässigen Streifen durch lichtabsorbierende Streifen und die lichtdurchlässigen Streifen durch lichtreflektierende Streifen ersetzt. Die in Meßrichtung X verlaufenden Mittelachsen MLI, ML2 der ersten Teilung To und der zweiten Teilung T2 liegen ebenfalls symmetrisch zur in Meßrichtung Xverlaufenden Mittelachse der neutralen Ebene NE, die die neutrale Faser NF des Maßstabs M bildet.
In F i g. 5 ist ein Maßstab M' gemäß F i g. 4 mit einer ersten Teilung T11 in einer ersten Teilungsebene TE1, und mit einer zweiten Teilung T2' in einer zweiten Teilungsebene TE2' dargestellt. Die beiden Teilungsebenen TEE', TE2' werden symmetrisch zur neutralen Ebene NE'durch die beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen des Maßstabs M' gebildet. Zur Abtastung der ersten Teilung Tx' im Durchlicht sind eine erste Abtasteinheit AEI' mit einem ersten Photoelement Pl, sowie mit einer ersten Abtastplatte APa' mit einer ersten Teilung Fl' und zur Abtastung der zweiten Teilung T21 im Durchlicht eine zweite Abtasteinheit AE2' mit einem zweiten Photoelement P2' sowie mit einer zweiten Abtastplatte AP2' mit einer zweiten Teilung F21 in einer Abtasteinrichtung A' vorgesehen, die zusätzlich noch eine Beleuchtungseinheit L' und einen Kondensor K' aufweist. Die beiden Teilungen Fit', F2' der beiden Abtastplatten AP1,, AP2' sind mit den beiden Teilungen T1', T2, des Maßstabs M'identisch. Bei der Relativbewegung des Maßstabs M' bezüglich der Abtasteinrichtung A'in Meßrichtung X werden vom ersten Photoelement Pst ein erstes periodisches Analogsignal S1, und vom zweiten Photoelement P2' ein zweites periodisches Analogsignal S21 erzeugt, die einander überlagert und als gemitteltes Analogsignal SMt einer Auswerteeinrichtung W' zur Bildung von Positionsmeßwerten PM' zugeführt werden, die in einer nachgeschalteten Anzeigeeinheit AZ'in digitaler Form angezeigt werden können.
In Fig. 6 ist ein Maßstab M"mit einer ersten Teilung T" in einer ersten Teilungsebene TE1,, und mit einer zweiten Teilung T2" in einer zweiten Teilungsebene TE2" dargestellt. Die beiden Teilungsebenen Tee", TE2" werden symmetrisch zur neutralen Ebene NE" durch die beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen des Maßstabs M" gebildet. Zur Abtastung der ersten Teilung T1" im Durchlicht sind eine erste Abtasteinheit AE1" mit einem ersten Photoelement P" sowie mit einer ersten Abtastplatte AP1,, mit einer ersten Teilung F1,, und zur Abtastung der zweiten Teilung T2" im Auflicht eine zweite Abtasteinheit AE2" mit einem zweiten Photoelement P21, sowie mit einer zweiten Abtastplatte AP2" mit einer zweiten Teilung F2" in einer Abtasteinrichtung A" vorgesehen, die zusätzlich noch eine Beleuchtungseinheit L" und einen Kondensor K" aufweist.
An Stelle der lichtdurchlässigen Streifen und lichtundurchlässigen Streifen der im Durchlicht abgetasteten ersten Teilung T" besitzt die im Auflicht abgetastete zweite Teilung T2" lichtreflektierende Streifen und lichtabsorbierende Streifen. Die beiden Teilungen F1", F2" der beiden Abtastplatten AP1". AP2" sind mit der ersten Teilung T" identisch. Bei der Relativbewegung des Maßstabs M" bezüglich der Abtasteinrichtung A" in Meßrichtung Xwerden vom ersten Photoelement 9" ein erstes periodisches Analogsignal S1" und vom zweiten Photoelement P2" ein zweites periodisches Analogsignal S2" erzeugt, die getrennt einer Auswerteeinrichtung W" zur Bildung von ersten Positionsmeßwerten PM1,, und von zweiten Positionsmeßwerten PM2" zugeführt werden. Diese ersten und zweiten Positionsmeßwerte PMI", PM2" werden in einem nachgeschalteten Rechner R rechnerisch gemittelt und können in einer Anzeigeeinheit AZ" in digitaler Form angezeigt oder direkt einer numerischen Steuereinrichtung einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine zugeführt werden.
Wenn der Maßstab M nach F i g. 4 eine Verbiegung um eine parallel zur neutralen Ebene NE und senkrecht zur neutralen Faser NFverlaufende Drehachse erfährt, möge beispielsweise die erste Teilungsebene TE1 mit der ersten Teilung T, eine Dehnung und die zweite Teilungsebene TE2 mit der Teilung T2 eine Stauchung erfahren. Das von der ersten Abtasteinheit AE1 bei der Abtastung der ersten Teilung T, gewonnene erste periodische Analogsignal S und das von der zweiten Abtasteinheit AE2 bei der Abtastung der zweiten Teilung T2 gewonnene zweite periodische Analogsignal S2 sind durch diese Verbiegung des Maßstabs M entgegengesetzt fehlerbehaftet. Durch die Überlagerung der beiden periodischen Analogsignale S1, S2 bzw. durch die rechnerische Mittelung der aus den beiden periodischen Analogsignalen S1, S2 gewonnenen Positionsmeßwerte PMI, PM2 können exakte Positionsmeßwerte PMfür die Relativlage der beiden zu messenden Objekte 2,4 gebildet werden.
Wenn die Mittelachsen ML1, ML2 der beiden Teilungen Tl, T2 des Maßstabs M auch symmetrisch zur neutralen Faser NFder neutralen Ebene NE des Maßstabs M verlaufen, werden gleichfalls Meßfehler durch Verbiegungen des Maßstabs M um Drehachsen senkrecht zur neutralen Ebene NE durch die neutrale Faser NF kompensiert.
Die erste Teilung Tt und die zweite Teilung T2 des Maßstabs M können auch unterschiedliche Gitterkonstanten (Teilungsperioden) aufweisen, wenn die von den beiden Photoelementen Pi, P2 gelieferten periodischen Analogsignale S1, S2 vom Rechner R mit einer entsprechend den Gitterkonstanten bemessenden Gewichtung gemittelt werden. Der Rechner R kann auch innerhalb der Signalperiode des aus der Teilung Tl, T2 mit der größeren Gitterkonstanten gewonnenen Analogsignals sl, S2 Interpolationswerte berechnen, die zur Mittelung herangezogen werden; eine Teilung T1, T2 mit einer größeren Gitterkonstanten läßt sich einfacher und billiger herstellen.
Wenn die erste Teilung T, und die zweite Teilung T2 die gleichen Gitterkonstanten aufweisen, ihre Teilungsebenen TEX, TE2 wegen eines unsymmetrischen Querschnitts (z. B. trapezförmigen Querschnitts) des Maßstabs M aber unterschiedliche parallele Abstände von der neutralen Ebene NE des Maßstabs M aufweisen, können die erzeugten periodischen Analogsignale S1, S2 ebenfalls mit einer den Abständen entsprechenden Gewichtung vom Rechner R gemittelt werden; diese gewichtete Mitteilung kann auch bei unterschiedlichen Abständen der Mittelachsen MLI, ML2 der beiden Teilungen T, T2 von der neutralen Faser NFerfolgen.
Die zweite Teilung F2" der zweiten Abtastplatte AP2" der zweiten Abtasteinheit AE2" zur Abtastung der zweiten Teilung T2" des Maßstabs M"im Auflicht gemäß F i g. 6 kann auch aus verschiedenen optischen Gründen (z. B. für eine Dreigitter-Abtastung) eine von der zweiten Teilung T2" des Maßstabs M" unterschiedliche Gitterkonstante (beispielsweise eine doppelt so große Gitterkonstante) aufweisen. In nicht dargestellter Weise kann auch die erste Teilung T," des Maßstabs M" gemäß F i g. 6 im Auflicht abgetastet werden, wenn sie wie die zweite Teilung T2" des Maßstabs M" ausgebildet ist. Werden beide Teilungen T,", T2" des Maßstabs M" im Auflicht abgetastet, kann eine Teilung nach dem Zweigitter-Verfahren und die andere Teilung nach dem Dreigitter-Verfahren abgetastet werden.
Soll der Meßteilung des Maßstabs M wenigstens eine Referenzmarke Ri zugeordnet werden, um aus der inkrementalen Positionsmeßeinrichtung eine quasi absolute Positionsmeßeinrichtung zu bilden, so braucht die wenigstens eine Referenzmarke Ri bei geringfügigen Verbiegungen des Maßstabs M nur in einer Teilungsebene der zugehörigen Teilung absolut zugeordnet werden, beispielsweise der Teilung T2 in der Teilungsebene TE2(F i g. 4a).
Der Maßstab M kann je nach dem angewandten Durchlichtverfahren oder Auflichtverfahren aus Glas oder Metall bestehen. In nicht gezeigter Weise können die periodischen Analogsignale S1, S2 auch in der Auswerteeinrichtung Wüberlagert werden. Von den beiden Teilungen T1, T2 des Maßstabs Mkann wenigstens eine Teilung auch von mehreren zueinander versetzten Teilungsfeldern auf der zugehörigen Abtastplatte abgetastet werden, um eine Richtungsdiskriminierung der Meßrichtung X und eine Interpolation innerhalb der Signalperiode der periodischen Analogsignale zu ermöglichen.
Die erste Teilung Ts und/oder die zweite Teilung T2 kann auch mehrere Teilungsspuren aufweisen.
Die Erfindung ist nicht auf lichtelektrische Meßeinrichtungen beschränkt, sondern auch bei magnetischen, induktiven oder kapazitiven Meßeinrichtungen mit Erfolg einsetzbar.

Claims

Patentansprüche: 1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der die Meßteilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers außerhalb der neutralen Ebene liegt und von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinrichtung abtastbar ist, dadurch gekennz e i c h n e t, daß die Meßteilung des Teilungsträgers (M) aus wenigstens einer ersten Teilung (tal) in einer ersten Teilungsebene (TE1) auf der einen Seite der neutralen Ebene (NE) und aus wenigstens einer zweiten Teilung (T2) in einer zweiten Teilungsebene (TE2) auf der anderen Seite der neutralen Ebene (NE) besteht, daß die erste Teilung (Tl) von einer ersten Abtasteinheit (AEI) und die zweite Teilung (T2) von einer zweiten Abtasteinheit (AE2) der Abtasteinrichtung (A) abtastbar sind und daß die von den beiden Abtasteinheiten (AEI, AE2) gelieferten periodischen Analogsignale (sol, S2) zur Bildung von Positionsmeßwerten (PM) in analoger Form überlagerbar oder in digitaler Form rechnerisch miteinander verknüpfbar sind.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilungsebenen (TE1, TE2) symmetrisch zur neutralen Ebene (NE) des Teilungsträgers fM)liegen.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Meßrichtung X verlaufenden Mittelachsen (ML1, ML2) der ersten Teilung (Tl) und der zweiten Teilung (T2) symmetrisch zur neutralen Faser (NF) der neutralen Ebene (NE) des Teilungsträgers (M)liegen.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilung (T,) und die zweite Teilung (T2) unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilungen (Tl, T2) von einer lichtelektrischen Abtasteinrichtung (A) jeweils im Durchlicht und/oder im Auflicht abtastbar sind.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur einer der beiden Teilungen (rl, T2) wenigstens eine Referenzmarke (Ri) zugeordnet ist.

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, beispielsweise der Relativlage zweier Maschinenteile einer Werkzeugmaschine, wird die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinrichtung abgetastet. Die Abtasteinrichtung weist zu diesem Zweck eine Beleuchtungseinrichtung, eine Abtastplatte mit beispielsweise zwei Abtastfeldern, deren Teilungen um ein Viertel der Teilungsperiode der Teilung des Teilungsträgers zueinander versetzt sind und mit der Teilung des Teilungsträgers übereinstimmen, sowie zwei Photoelemente auf, die jeweils einem Abtastfeld zugeordnet sind. Die gleichartigen Teilungen der Abtastplatte und des Teilungsträgers bestehen beim Durchlichtmeßverfahren aus lichtdurchlässigen und lichtundurch- lässigen Streifen mit einer Längserstreckung quer zur Meßrichtung, die in Meßrichtung alternierend aufeinanderfolgen. Der Lichtstrom der Beleuchtungseinrichtung, der die Teilungen des Teilungsträgers und der Abtastplatte durchsetzt und anschließend auf die beiden Photoelemente fällt, wird bei der Relativbewegung der beiden Objekte an den Teilungen moduliert, so daß die beiden je einem Abtastfeld zugeordneten Photoelemente zwei periodische, um 90° zueinander phasenversetzte Analogsignale liefern. Diese sinusförmigen Analogsignale werden einer Auswerteeinrichtung zur Bildung von Positionsmeßwerten zugeführt. Der Phasenversatz zwischen den beiden Analogsignalen erlaubt die Diskriminierung der Meßrichtung.

Bei einer Längenmeßeinrichtung besteht der Teilungsträger für die Teilung beispielsweise aus einem Glasmaßstab mit rechteckigem Querschnitt, auf dessen einer Oberfläche als Teilungsebene die Teilung aufgebracht ist. Da diese Teilungsebene mit der Teilung außerhalb der neutralen Ebene des Maßstabs liegt, bewirken Verbiegungen des Maßstabs in seiner Gebrauchslage Dehnungen oder Stauchungen der Teilungsebene mit der Teilung, so daß Meßfehler auftreten können. Die neutrale Ebene des Maßstabs ist die einzige Ebene, die bei Verbiegungen des Maßstabs keine Dehnungen oder Stauchungen erfährt.

Um derartige infolge von Verbiegungen des Maßstabs auftretende Meßfehler zu vermeiden, sind Maßstäbe mit U-förmigem oder H-förmigem Querschnittsprofil vorgeschlagen worden, bei denen die neutrale Ebene die Teilungsebene für die Teilung bildet Derartige Maßstäbe sind aber teuer in der Herstellung und bedingen größere Querschnittsabmessungen der Meßeinrichtung.

In der DE-PS 25 10 219 ist eine Längenmeßeinrichtung mit einem Maßstab beschrieben, dessen Teilungsebene mit der Teilung außerhalb der neutralen Ebene des Maßstabs liegt. Die Teilung wird von einer Abtasteinrichtung abgetastet, die an einem zu messenden Objekt angekoppelt und an einer von der Führung des zu messenden Objekts unabhängigen Hilfsführung verschiebbar ist. Zur Vermeidung von Meßfehlern infolge von Verbiegungen des Maßstabs ist die Abtasteinrichtung am zu messenden Objekt bzw. an einem daran angebrachten Mitnehmer in Höhe der neutralen Ebene des Maßstabs gelenkig angekoppelt. Eine derartige gelenkige Ankopplung in der neutralen Ebene ist relativ aufwendig und aus Platzgründen nicht in allen Meßeinrichtungen einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Positionsmeßeinrichtung der obengenannten Gattung durch Verbiegungen des Teilungsträgers bedingte Meßfehler zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.