DE3503116C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßinstrument mit einem ortsfesten Teil, an dem eine mit lichtreflektierenden Teilungsmarken versehene, lichtdurchlässige Hauptskala aus Glas angebracht ist, und einer entlang dieser Hauptskala bewegbaren Erfassungseinrichtung, die eine lichtdurchlässige Indexskala mit lichtdurchläs­ sigen Teilungsmarken sowie eine Lichtquelle und ein Lichtempfangselement auf der von der Hauptskala fort­ weisenden Seite der Indexskala aufweist, wobei das Lichtempfangselement mit von den Teilungsmarken der Hauptskala reflektiertem und durch die Indexskala hindurchgegangenen Licht beaufschlagbar ist.

Aus der DE-OS 32 43 275 ist ein derartiges Meßinstru­ ment bekannt, bei dem die Hauptskala jedoch aus Metall hergestellt ist. Bei diesem bekannten Meßinstrument handelt es sich um ein Koordinatenmeßinstrument mit einem Tastelement, welches so gehaltert ist, daß es parallel zu den drei Koordinatenachsen eines recht­ winkligen Koordinatensystems bewegt werden kann. Die Verschiebungswerte des Tastelements werden mit Er­ fassungseinrichtungen erfaßt, von denen eine für die jeweilige Koordinatenrichtung vorgesehen ist.

Wenn als Erfassungseinrichtung für die Verschiebung eine optische Erfassungseinrichtung verwendet wird, wird hauptsächlich wegen der Raumbegrenzung eine lan­ ge Hauptskala an einem ortsfesten Teil und eine kurze Indexskala an einem bewegbaren Teil des Meßinstruments befestigt. Arbeitet die optische Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Verschiebung des bewegbaren Teils relativ zu dem ortsfesten Teil des Meßinstruments nach dem Reflexionsprinzip, so sind an dem bewegbaren Teil eine Lichtquelle und ein Lichtempfangselement ange­ ordnet, welches mit Licht beaufschlagbar ist, das auf die Hauptskala auftrifft, von den lichtre­ flektierenden Teilungsmarken auf der Hauptskala reflek­ tiert wird und erneut durch die Indexskala hindurchtritt.

Bei der Verwendung einer nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden Erfassungseinrichtung für die Verschiebung wurden bisher häufig Hauptskalen aus Metall verwendet. Hauptskalen aus Metall stellen hohe Anforderungen an die Erfassungseinrichtungen. Die Verwendung langer Hauptskalen aus Metall führt zu den folgenden Nach­ teilen. Es ist äußerst schwierig, ebene Oberflächen mit hoher Geschwindigkeit parallel und glatt herzustellen, so daß die Teilungsmarken beeinträchtigt werden können. Dies macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn die Hauptskala eine große Länge aufweist. Wird die Haupt­ skala durch Punktschweißen befestigt, so können leicht bei der Hauptskala Verformungen hervorgerufen werden. Diese machen sich insbesondere dann bemerkbar, wenn die Hauptskala lang ist. Wird die Hauptskala an der Oberfläche einer Steinplatte oder ähnlichem befestigt, dann können an der Hauptskala Verformungen aufgrund von Altern auftreten, da das Metall und der Stein sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei Hauptskalen aus Metall werden die Tei­ lungsmarken durch Ätzen hergestellt, wobei es auftre­ ten kann, daß auch Seitenbereiche der Teilungsmarken geätzt werden, was im Hinblick auf die Genauigkeit nicht vernachlässigbar ist.

Diese Nachteile wurden durch Hauptskalen aus Glas über­ wunden. Dann ergeben sich aber die folgenden, neuen Schwierigkeiten.

Bei nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden Erfassungs­ einrichtungen werden Änderungen des reflektierten Lichts, die durch die Reflexion an den Teilungsmarken der Hauptskala hervorgerufen werden, mit einem Licht­ empfangselement erfaßt. Wenn jedoch die Hauptskala aus Glas besteht, wird das durch die nichtreflek­ tierenden Bereiche zwischen den reflektierenden Tei­ lungsmarken hindurchgegangene Licht von dem Material auf der Rückseite der Hauptskala, d. h. auf der von der Indexskala fortweisenden Seite, reflektiert und dieses reflektierte Licht wird auch von dem Licht­ empfangselement empfangen. Der Einfluß des durch die nichtreflektierenden Bereiche der Hauptskala hindurch­ gegangenen Lichts hängt stark von dem Zustand auf der rückwärtigen Seite der Hauptskala ab, nämlich dem optischen Zustand der Oberfläche, die das durch die nichtreflektierenden Bereiche der Hauptskala hindurch­ gegangene Licht reflektiert. Dadurch ergeben sich in unterschiedlicher Weise Schwankungen des Signal-Unter­ grundverhältnisses, wodurch die Meßgenauigkeit nach­ teilig beeinflußt wird.

Bei Koordinaten-Meßinstrumenten ist üblicherweise ei­ ne Hauptskala für die Verschiebung in Richtung der X- Achse an einem Führungsteil aus nichtrostendem Stahl, eine Hauptskala für die Verschiebung in Richtung der Y-Achse an einer Oberfläche einer Steinplatte und eine Hauptskala für die Verschiebung in Richtung der Z-Achse an einer Spindel befestigt, die aus einem anderen Material hergestellt ist. Werden Hauptskalen aus Glas eingesetzt, so ändern sich, selbst wenn zu­ einander identische Erfassungseinrichtungen für die Verschiebung an demselben Koordinaten-Meßinstrument befestigt werden, die Verhältnisse für das jeweils re­ flektierte Licht, z. B. im Hinblick auf seine Inten­ sität und Spektralverteilung, wegen der unterschied­ lichen optischen Eigenschaften der Bereiche, an denen die Hauptskalen befestigt sind. Dies hat zur Folge, daß die Lichtempfangselemente besonders eingestellt werden müssen.

Auch können sich die optischen Eigenschaften der Bereiche im Laufe der Zeit ändern, an denen die Haupt­ skalen befestigt sind. Selbst wenn die besonderen Ein­ stellungen der Lichtempfangselemente vorgenommen worden wären, könnte eine verringerte Genauigkeit in diesem Falle nicht vermieden werden. Es gibt auch Fälle, bei denen es nicht erkennbar ist, welches Einstellverfah­ ren zu den optischen Eigenschaften der Bereiche paßt, an denen die Hauptskalen befestigt sind. Hier ist es unmöglich, Einstellungen vorzunehmen.

Aus der GB-PS 20 95 399 ist eine nach dem Reflexions­ prinzip arbeitende Erfassungseinrichtung zum Feststel­ len der Verschiebung zwischen einer Indexskala und einer Hauptskala bekannt. Die nicht zueinander weisen­ den Oberflächenseiten der beiden Skalen sind jeweils mit einem lichtdurchlässigen Schutzelement überdeckt, die zusätzlich als Reflexionen verhindernde Schichten wirken.

Bei einem aus der DE-OS 32 27 535 bekannten Handmeß­ gerät ist eine nach dem Reflexionsprinzip arbeitende, optische Erfassungseinrichtung mit einer Indexskala, einer Lichtquelle und Lichtempfangselementen vorgese­ hen, die entlang einer durchsichtigen Hauptskala verschiebbar ist. Die Hauptskala ist auf der von der Indexskala fortweisenden Seitenoberfläche verspiegelt. Die Teilungsmarken sind auf der Hauptskala auf der zu der Indexskala weisenden Seitenoberfläche ausgebil­ det. Die Verspiegelung auf der Rückseite der Haupt­ skala dient dazu, durch die Hauptskala hindurchgegan­ genes Licht auf die Teilungsmarken zu lenken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meß­ instrument der eingangs genannten Art derart weiterzu­ bilden, daß sowohl die Reflexionseigenschaften als auch die Befestigung der Hauptskala verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hauptskala mittels einer Glasplatte an dem ortsfesten Teil befestigt und zwischen der Glasplatte und der Hauptskala eine lichtabsorbierende oder eine definiert lichtreflektierende Schicht vorgesehen ist.

Aufgrund der Erfindung wird in vorteilhafter Weise durch die Befestigung der Hauptskala mittels einer Glasplatte an dem ortsfesten Teil erreicht, daß durch Altern hervorgerufene Änderungen gering sind. Auch er­ geben sich keine Verformungen, die durch die Befestigung der Hauptskala hervorgerufen werden, so daß selbst dann, wenn die Hauptskala lang ist, keine die Meßge­ nauigkeit beeinflussende Störungen durch die Haupt­ skala erfolgen. Ferner wird erfindungsgemäß die Meß­ genauigkeit dadurch erhöht, daß keine nachteiligen Einflüsse durch das von der Oberfläche reflektierte Licht hervorgerufen werden, die der zu dem stationä­ ren Teil weisenden Oberflächenseite der Hauptskala gegenüberliegt. Dies wird dadurch erreicht, daß ent­ weder eine lichtabsorbierende Schicht oder eine defi­ niert lichtreflektierende Schicht zwischen der Glas­ platte und der zu dem stationären Teil weisenden Seite der Hauptskala vorgesehen ist. Diese Schicht bewirkt, daß definierte Reflexionsverhältnisse vor­ liegen, nämlich entweder wird Licht im wesentlichen nur von den Teilungsmarken der Hauptskala reflektiert und das zwischen diesen Teilungsmarken durch die Hauptskala hindurchtretende Licht wird von der absor­ bierenden Schicht im wesentlichen absorbiert oder aber auf die Hauptskala auftreffendes Licht wird sowohl von den Teilungsmarken der Hauptskala als auch von den zwischen den Teilungsmarken liegenden Bereichen der definierten reflektierenden Schicht reflektiert. Auf diese Weise ergeben sich gleichförmige Lichtreflexions­ verhältnisse entlang der Hauptskala.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Meß­ instruments für drei Koordinaten, bei dem eine Ausführungsform eines Meßinstruments nach der Erfindung vorgesehen ist,

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstel­ lung einer nach dem Reflexionsprinzip ar­ beitenden, optischen Erfassungseinrichtung für die Verschiebung bei dem Koordinaten- Meßinstrument gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung, die die Haupt­ skala und die Indexskala bei der nach dem Reflexionsprinzip arbeitenden, optischen Er­ fassungseinrichtung bei einer Ausführungsform zeigt, und

Fig. 4 eine Schnittdarstellung, die die Hauptskala und die Indexskala bei einer nach dem Refle­ xionsprinzip arbeitenden, optischen Erfas­ sungseinrichtung gemäß einer anderen Ausfüh­ rungsform zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Meßinstrumentes nach der Erfindung. Dieses Meßinstrument ist an der Oberseite einer Auflageplatte 1, die eine Basis bildet, vorgesehen und weist einen in Richtung der Y-Achse hin- und herbewegbaren Portalrahmen 2 auf. Längs eines horizontalen Trägers 3 des Portalrahmens 2 ist ein Glei­ ter 4 in seitlicher Richtung, d. h., in Richtung der X- Achse verschiebbar und weist eine Fühlerstange 6 mit einem Tastelement 5 auf, die in vertikaler Richtung, d. h. in Richtung der Z-Achse bewegbar ist. Kurz gesagt, ist das Tastelement 5 derart vorgesehen, daß es in Rich­ tung der drei Koordinaten-Achsen bewegt werden kann. Ferner sind optische Erfassungseinrichtungen 10 für die Verschiebung vorgesehen, nämlich zwischen der Auflage­ platte 1 und dem Portalrahmen 2 als Erfassungseinrich­ tung für die Lage in Richtung der Y-Achse, um einen Verschiebungswert des Portalrahmens 2 in Richtung der Y-Achse festzustellen, zwischen dem horizontalen Träger 3 und dem Gleiter 4 als Erfassungseinrichtung 10 für die Lage in der Richtung der X-Achse, um einen Ver­ schiebungswert des Gleiters in Richtung der X-Achse festzustellen, und zwischen dem Gleiter 4 und der Füh­ lerstange 6 als Erfassungseinrichtung 10 für die Lage in Richtung der Z-Achse, um einen Verschiebungswert der Fühlerstange 6 in Richtung der Z-Achse festzustellen. Die Verschiebungswerte des Tastelementes 5 in Richtung der X-, Y- und Z-Achse wird durch diese Erfassungsein­ richtungen 10 automatisch festgestellt und jeweils mittels einer Anzeigeeinrichtung oder ähnlichem ange­ zeigt, die nicht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt den inneren Aufbau der optischen Erfassungs­ einrichtung 10 für einer Verschiebung. Sowohl die lange Hauptskala 11 als auch die kurze Indexskala 12 sind aus Glas hergestellt. Die Hauptskala 11 und die Index­ skala 12, welche mit einem sehr kleinen Abstand voneinan­ der beabstandet sind, sind in Längsrichtung der Hauptskala 11 derart angeordnet, daß sie relativ zueinander bewegbar sind. Ferner ist die Hauptskala 11 an einem ortsfesten Teil A befestigt, während die Indexskala 12 fest mit einem bewegbaren Teil B verbunden ist. Hier ist im Hinblick auf die Beziehung zwischen der Auflageplatte 1 und dem Portalrahmen 2 die Auflageplatte 1 das ortsfeste Teil A und der Portalrahmen 2 das bewegbare Teil B. Ferner ist im Hinblick auf die Beziehung zwischen dem horizontalen Träger 3 und dem Gleiter 4 der horizontale Träger 3 des Portalrahmens 2 das ortsfeste Teil A und der Gleiter 4 das bewegbare Teil B. Im Hinblick auf die Beziehung zwischen dem Gleiter 4 und der Fühlerstange 6 ist der Gleiter 4 das ortsfeste Teil A und die Fühlerstange 6 das bewegbare Teil B.

Meßteilungen 15 sind auf der Vorderseite der Hauptskala 11, der Oberfläche der Hauptskala auf der Seite der Indexskala, in Längsrichtung der Hauptskala 11 auf­ gebracht. Diese Meßteilungen 15 werden von reflektie­ renden Bereichen bzw. Teilungsmarken 15 A und nichtreflektierenden Bereichen 15 B, nämlich Bereichen, wo die reflektierenden Bereiche 15 A nicht niedergeschlagen worden sind, gebildet, wobei diese Bereiche die gleiche Breite haben und abwechselnd zueinander ausgerichtet sind.

Andererseits sind Meßteilungen 16 auch auf der Indexskala 12 ausgebildet. Diese Meßteilungen 16 sind von lichtdurchlässigen Bereichen 16 A und lichtundurchlässigen Bereichen 16 B gebildet, wobei beide Bereiche gleiche Entfernungen aufweisen. Ferner sind zwei Meßteilungen 16 der Indexskala 12 derart vor­ gesehen, daß sie um eine Viertel-Entfernung verschoben sind, so daß die Bewegungsrichtung der Indexskala 12 festgestellt werden kann.

Ein lichtaussendendes Element 17 und ein Lichtempfangs­ element 18 sind an vorbestimmten Stellen auf der Seite der Indexskala 12 in dem Gleiter 4 vorgesehen. Unter ei­ nem vorbestimmten Winkel auf die Meßteilungen 16 der Indexskala 12 von dem lichtaussendenden Element 17 ab­ gestrahltes Licht geht durch die lichtdurchlässigen Be­ reiche 16 A der Meßteilungen 16 hindurch, wird dann von der Hauptskala 11 reflektiert, geht durch die lichtdurch­ lässigen Bereiche 16 A der Meßteilungen 16 der Indexskala 12 erneut hindurch und kann von dem Lichtempfangselement 18 empfangen werden. Das Lichtempfangselement 18 ist mit einer Signalverarbeitungseinrichtung 19 und einer Anzeigeeinrichtung 20 verbunden, wodurch ein Verschie­ bungswert (Verschiebung der Lichtmenge) des reflektier­ ten Lichtes durch die Signalverarbeitungseinrichtung 19 verarbeitet und anschließend auf der Anzeigeeinrichtung 20 als ein relativer Verschiebungswert zwischen beiden Skalen 11 und 12 dargestellt wird.

Eine von der Hauptskala 11 unterschiedliche Glasplatte 21 ist nahe der Rückseite der Hauptskala 11, auf der der Indexskala 12 gegenüberliegenden Seite angeordnet und die Hauptskala 11 ist mittels dieser Glasplatte 21 an dem ortsfesten Teil A befestigt.

Eine Schicht 22 (siehe Fig. 3) ist auf der seitlichen Oberfläche der Glasplatte 21 auf der Seite der Hauptskala 11 vorgesehen. Diese Schicht 22 ist aus einer Schicht aus einem licht­ absorbierenden Material oder einer Schicht aus einem definiert lichtreflektierenden Material gebildet, welches auf die seitliche Oberfläche der Glasplatte 21 aufgebracht bzw. niedergeschlagen ist.

Wenn die Schicht aus einem lichtabsorbierenden Material gebildet ist, absorbiert die Glasplatte 21 das durch die nichtreflektierenden Bereiche 15 B der Hauptskala 11 hindurchgegangene Licht, so daß auf der Seite der Index­ skala 12 kein reflektiertes Licht erzeugt wird. In dem Fall, bei dem die Schicht aus einem lichtreflektierenden Material gebildet ist, bewirkt die Schicht 22, daß das durch die nichtreflektierenden Bereiche 15 B hindurchge­ gangene Licht ein definiertes, nicht durch das Material oder ähnliches auf der Seite des ortsfesten Teils A beein­ flußtes, reflektiertes Licht wird, welches zu der Index­ skala 12 reflektiert wird.

Demgemäß bietet die vorhergehend beschriebene Ausführungs­ form die folgenden Vorteile.

Arbeitsvorgänge mit hoher Geschwindigkeit können leicht durch­ geführt werden, die Änderung durch Altern ist gering und keine Störung bzw. Verzerrung wird beim Befestigen her­ vorgerufen, so daß selbst, wenn das Meßinstrument eine große Größe aufweist, keine Störung durch die Hauptskalen 11 erzeugt und Messungen mit hoher Genauigkeit durchge­ führt werden können. Ferner ist die Schicht 22 auf der Rückseite, d. h. der der Indexskala 12 gegenüberliegenden Seite der Hauptskala 11 angeordnet, so daß durch die nichtreflektierenden Bereiche 15 B der Meßteilungen 15 der Hauptskala 11 hindurchgehendes Licht nicht zu der Indexskala 12 reflektiert oder zu vorbestimm­ tem reflektierten Licht mit definierten Eigenschaften wird, und zu der Indexskala 12 reflektiert wird. Deshalb wird bei dem Lichtempfangselement 18 kein Untergrund erzeugt oder eine vorbestimmte, quantitative Korrektur wird an der Signalverarbeitungseinrichtung 19 vorgenommen, so daß eine genaue Verschiebungserfassung mit hoher Präzision stets durchgeführt werden kann. Anders ausgedrückt be­ deutet dies, daß der Meßwert nicht durch die optischen Eigenschaften des ortsfesten Teils A, d. h. die Bereiche, an denen die Hauptskala 11 befestigt ist, beeinflußt wird.

Ferner reicht es aus, die Hauptskala 11 an dem ortsfes­ ten Teil A mittels der Glasplatte 21 zu befestigen, auf der die Schicht 22 vorgesehen ist, so daß die Befestigung ohne weiteres vorgenommen werden kann. Ferner können die Meßteilungen 15 der Hauptskala 11 auf der Seite des ortsfesten Teils A, d. h., der zu der Index­ skala 12 entgegengesetzten Seite, vorgesehen sein (siehe Fig. 4). In diesem Fall ergibt sich ein Vorteil dahinge­ hend, daß, wenn das ortsfeste Teil A verformt ist, der auf die Hauptskala 11 durch Ausdehnen oder Zusammenzie­ hen des ortsfesten Teils A aufgrund der Verformung ausgeübte Einfluß klein ist. Auch kann die Schicht 22 unmittelbar auf die Rückseite der Hauptskala 11 auf­ gebracht werden. In diesen Fällen ist der auf die Ausdehnung oder das Zusammenzie­ hen der Abstände der Meßteilungen der Hauptskala 11 durch die Glasplatte 21 ausgeübte Einfluß gering.

Die Schicht 22 ist aus einer schwarzen Beschichtung hergestellt, wobei das lichtab­ sorbierende Material ein Kunststoff sein kann oder das lichtreflektierende Material weist ein geringes Reflexionsvermögen auf, wie eine aufgebrachte Metallschicht. Im Falle der Verwendung einer aufgebrachten Metallschicht wird bevorzugt, daß die Hauptskala 11 eng an den Abschnit­ ten angebracht wird, an denen sie befestigt werden soll, damit die Schicht 22 eine gleich­ förmige Dicke aufweist.

Ferner müssen die Erfassungseinrichtungen für eine Ver­ schiebung, die in Richtung der entsprechenden Koordinaten-Achsen be­ festigt sind nicht notwendigerweise miteinander identisch sein.

Claims (4)

1. Meßinstrument mit einem ortsfesten Teil, an dem eine mit lichtrefektierenden Teilungsmarken versehene, lichtdurchlässige Hauptskala aus Glas angebracht ist, und einer entlang dieser Hauptskala bewegbaren Erfas­ sungseinrichtung, die eine lichtdurchlässige Indexska­ la mit lichtdurchlässigen Teilungsmarken sowie ei­ ne Lichtquelle und ein Lichtempfangselement auf der von der Hauptskala fortweisenden Seite der Indexska­ la aufweist, wobei das Lichtempfangselement mit von den Teilungsmarken der Hauptskala reflektiertem und durch die Indexskala hindurchgegangenen Licht beauf­ schlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptskala (11) mittels einer Glasplatte (21) an dem ortsfesten Teil (A) befestigt und zwischen der Glas­ platte (21) und der Hauptskala (11) eine lichtabsorbie­ rende oder eine definiert lichtreflektierende Schicht (22) vorgesehen ist.

2. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtabsorbieren­ de oder die definiert lichtreflektierende Schicht (22) auf der zu der Hauptskala (11) weisenden Seiten­ oberfläche der Glasplatte (21) vorgesehen ist.

3. Meßinstrument nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mit Teilungsmarken ( 15 A) versehene Seite der Hauptskala (11) zu der Glasplatte (21) weist.

4. Meßinstrument nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mit Teilungsmarken (15 A) versehene Seite der Hauptskala (11) von der Glasplatte (21) fortweist und die den Teilungsmar­ ken (15 A) gegenüberliegende Seitenoberfläche der Hauptskala (11) mit der lichtabsorbierenden oder der definiert lichtreflektierenden Schicht (22) versehen ist.