DE3542514C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wegmeßeinrichtung für bewegliche
Maschinenteile mit einem inkrementalen Korrekturmeßsystem für die
Ermittlung von Führungsfehlern wie Versatz und Verkippung des Maschinenteils.
Eine Wegmeßeinrichtung des genannten Typs ist in der EP-A2 00 82 441
beschrieben. Die bekannte Wegmeßeinrichtung besitzt einen Maßstab,
auf dem neben der Maßstabsteilung für die Messung der Bewegung in
Führungsrichtung mindestens eine zusätzliche inkrementale Teilung in
Form mehrerer, sich über die gesamte Führungslänge erstreckender
Linien aufgebracht ist. Diese Linien werden durch zwei in Führungsrichtung
versetzt angeordnete photoelektrische Signalgeber oder
Leseköpfe abgetastet, wobei der Mittelwert der Signale beider Geber
zur Feststellung von Versatz senkrecht zur Führungsrichtung und die
Differenz der Signale zur Feststellung des Kippwinkels des geführten
Teils dienen.
Da es sich bei dieser Meßeinrichtung um ein inkremental arbeitendes
System handelt, ist es nötig, zumindest bei jeder Inbetriebnahme der
Meßeinrichtung besser jedoch auch während des Betriebs in regelmäßigen
Abständen Referenzpunkte anzufahren, anhand deren die Initialisierung
des Meßsystems auf absolute Werte erfolgt. Für
inkrementale Längenmeßsysteme ist es z. B. aus der DE-C1 33 34 400
bekannt Referenzmarken in Form von mehreren, zu den Strichen der
Maßstabsteilung parallelen Balken auf den Maßstab neben der
eigentlichen Teilung aufzubringen. Diese Referenzmarken ermöglichen
allerdings nur die Festlegung eines Referenzpunktes wie z. B. des
Nullpunktes der Meßeinrichtung in Führungsrichtung. Zur Bestimmung
der Anfangswerte von Versatz senkrecht zur Führungsrichtung bzw. der
Verkippung oder Schieflage des Maschinenteils sind die mit solchen
Referenzmarken versehenen bekannten Maßstäbe nicht geeignet. Die
Initialisierung des inkrementalen Korrekturmeßsystems erfordert
daher zusätzliche Maßnahmen. Besondere Schwierigkeiten bestehen
hier, weil es in der Regel nicht ohne weiteres möglich ist, das
Maschinenteil in definiertem Ausmaß senkrecht zu seiner Führungsrichtung
zu versetzen oder zu verkippen.
In der DE-OS 32 16 616 ist ein inkrementales Wegmeßsystem beschrieben,
das zusätzlich eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur für
langperiodische Teilungsfehler des Maßstabs in Führungsrichtung
besitzt. Hierzu wird mechanisch eine Korrekturkurve abgetastet und
dem Positionssignal des Wegmeßsignals dadurch überlagert, daß der
Lesekopf der Maßstabsteilung senkrecht zu der schräg verlaufenden
Maßstabsteilung verschoben wird.
Führungsfehler aufgrund kurzperiodischen Versatzes des geführten
Teils gegenüber seiner Führung lassen sich mit dieser Korrektureinrichtung
nicht erkennen.
In der DE-OS 34 28 225 ist ein Gerät zur Herstellung von Halbleiterschaltungen
beschrieben, bei dem die zu belichtende Zone der Halbleiterschaltung
relativ zum Muster einer Maske durch kombinierte
rotatorische und translatorische Bewegungen ausgerichtet wird. Für
das Ausrichten sind winklig gestaltete Marken vorgesehen, die mit
einer entsprechenden Gegenmarke in Deckung gebracht werden. Für die
Initialisierung eines inkrementalen Korrekturmeßsystems ist die
beschriebene Einrichtung nicht geeignet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wegmeßeinrichtung
mit inkrementaler Korrekturspur so auszubilden, daß die Initialisierung
nicht allein des Meßsystems für die Position in Führungsrichtung
sondern auch für das Korrekturmeßsystem möglichst einfach und
mit einem Minimum an Zeitaufwand durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Aufbau des Wegmeßsystems gemäß den im
Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Wegmeßeinrichtung ist es
möglich, sowohl das eigentliche Längenmeßsystem als auch das Korrekturmeßsystem
im Zuge einer einzigen Eichfahrt zu initialisieren.
Erreicht wird dies durch Abtastung einer Struktur, deren Ausdehnung
im Sichtfeld des Signalgebers bzw. Lesekopfes in Führungsrichtung
abhängig vom Versatz des geführten Teils ist. Eine solche Struktur
kann beispielsweise durch zwei winklig zueinander angeordnete
Striche neben der Korrekturspur realisiert werden.
Vorteilhaft ist es, die Struktur aus zwei auf der spiegelnden Fläche
des Maßstabskörpers aufgebrachten Zylinderlinsen aufzubauen, von
denen eine senkrecht und die andere unter einem Winkel von vorzugsweise
45° zur Führungsrichtung angeordnet ist. Mit diesen
Zylinderlinsen läßt sich eine eindimensionale, d. h. linienförmige
Abbildung einer z. B. Leuchtdiode auf eine Differenzdiode herbeiführen,
über die die Nullimpulse für die Initialisierung von Meß-
und Korrektursystem erzeugt werden. Außer den beiden letztgenannten
Bauteilen, die zu einem bzw. zwei zweckmäßig am beweglichen
Maschinenteil befestigten Geber zusammengefaßt sind, und den auf dem
Maßstab aufgebrachten Zylinderlinsen sind keine weiteren Bauteile
erforderlich. Zwei Geber sind erforderlich, wenn neben dem Führungsfehlerversatz
auch Verkippungen, d. h. die Schieflage des geführten
Teils ermittelt werden sollen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel
anhand der Fig. 1-4 der Zeichnungen
beschrieben.
Fig. 1 ist eine Aufsicht auf den Maßstab eines inkrementalen
Wegmeßsystems mit Korrekturteilung;
Fig. 2 ist eine Prinzipskizze, die die Abtastung der Referenzmarke
(4/5) auf dem Maßstab nach Fig. 1 schematisch im Querschnitt
zeigt;
Fig. 3 ist eine Ansicht auf Referenzmarken und Signalgeber längs
der Linie III/III in der Prinzipskizze nach Fig. 2;
Fig. 4 zeigt den Signalverlauf am Ausgang der Differenzdiode (7)
aus Fig. 2 bzw. 3 beim Überfahren der Zylinderlinsen (4 und
5).
Der in Fig. 1 dargestellte Maßstab (1) einer Wegmeßeinrichtung für
ein bewegliches Maschinenteil trägt eine erste inkrementale Teilung
(2), die von einem hier nicht näher dargestellten Geber M photoelektrisch
abgetastet wird. Die Signale des Gebers M liefern den Meßwert
für die Bewegung des Maschinenteils in die mit y bezeichnete Richtung
seiner Führungen.
Neben der eigentlichen Maßstabsspur (2) befindet sich eine Korrekturspur
(3) bestehend aus mehreren parallelen, sich über die gesamte
Führungslänge erstreckenden Linien. Diese Linien werden von zwei im
Abstand a am beweglichen Maschinenteil befestigten Signalgebern bzw.
Leseköpfen K1 und K2 in ähnlicher Weise wie die Maßstabsspur (2)
photoelektrisch abgetastet. Die Signale der Geber K1 und K2 liefern
nach Mittelwert- bzw. Differenzbildung Korrekturwerte für einen
Versatz des Maschinenteils senkrecht zu seiner Führungsrichtung bzw.
erlauben es, die Schieflage des geführten Maschinenteils um die
senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende vertikale Z-Achse zu
ermitteln, wie dies in der EP-A2 00 82 441 dargestellt ist.
Es ist klar, daß den Signalgebern M, K1 und K2 elektronische Interpolatoren
nachgeschaltet sind, durch die eine mehrfache Unterteilung
der von den Strichen repräsentierten Inkremente erfolgt, um die
Auflösung der Wegmessung zu erhöhen. Bei diesen Einrichtungen handelt
es sich um bekannte Bauteile, auf deren Darstellung an dieser Stelle
verzichtet wird.
Neben der Korrekturspur (3) ist eine Referenzmarke bestehend aus zwei
plankonvexen Zylinderlinsen (4 und 5) auf die spiegelnde Oberfläche
des Maßstabs (1) aufgebracht. Die Zylinderlinse (4) ist senkrecht zur
Führungsrichtung y ausgerichtet, während die Zylinderlinse (5) mit
ihrer Achse um einen Winkel α von 45° gegen die Achse der Zylinderlinse
(4) geneigt ist. Zur Abtastung der aus den beiden Zylinderlinsen
bestehenden Referenzmarke sind zwei, ebenfalls im Abstand a
zueinander am beweglichen Maschinenteil befestigte Nullimpulsgeber
KNIP1 und KNIP2 vorgesehen. Diese Geber liefern Korrektur-Nullimpulse
für die Initialisierung der Korrekturmeßsysteme K1 und K2 sowie für
das eigentliche Längenmeßsystem M.
Bevor auf den Ablauf der für die Initialisierung nötigen Maßnahmen
eingegangen wird, sei der optische Aufbau der Geber KNIP1 bzw. KNIP2
kurz anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläutert: Jeder Geber enthält
einen Lichtsender in Form einer Leuchtdiode (6) und einen Photosensor
in Form einer Differenzdiode (7), die beide nebeneinander angeordnet
sind. Ihr Abstand zu den auf den Maßstab (1) aufgebrachten Zylinderlinsen
und deren Brechkraft sind so gewählt, daß die punktförmige
lichtemittierende Fläche der Leuchtdiode (6) als eindimensionales
Lichtband in die Ebene abgebildet wird, in der sich die Oberfläche
der Differenzdiode (7) befindet.
Wie Fig. 3 zeigt sind die Differenzdiode (7) und die Leuchtdiode (6)
in Bezug auf die Zylinderlinsen (4 und 5) so ausgerichtet, daß ihre
Verbindungslinie und die dazu parallele Teilungslinie (9) der
Differenzdiode (7) unter einem Winkel α/2 von 22,5°, also symmetrisch
zu den Achsen der beiden Zylinderlinsen verläuft. Dies hat den
Vorteil, daß die von der Differenzdiode abgegebenen Signale beim
Überfahren der beiden Zylinderlinsen jeweils die gleiche Form und
Intensität besitzen.
Zur Initialisierung des Meßsystems M und der Korrekturmeßsysteme K1
und K2 wird das bewegliche Maschinenteil in Richtung seiner Führung y
so verfahren, daß beide Signalgeber KNIP1 und KNIP2 die Zylinderlinsen
(4 und 5) passieren. Sobald der Geber KNIP1 die Zylinderlinse
(4) überfährt und dabei das in Fig. 3 mit (14) bezeichnete Lichtband
über die Differenzdiode (7) streicht, gibt diese das in Fig. 4 mit
A1/2 bzeichnete Signal ab. Dieses Signal kann bereits dazu verwendet
werden, das Meßsystem M, das die Maßstabsspur (2) abtastet, zu
initialisieren. Dabei wird dem gerade anliegenden Positionssignal,
das das Meßsystem M liefert, der Wert y0 zugewiesen. Sobald
dann die Zylinderlinse (5) überfahren wird und dabei das von ihr erzeugte
Lichtband (15) über die Differenzdiode (7) läuft, entsteht ein
zweites Signal B1/2. Die Position yi, bei der dieses zweite Signal
auftritt, ist abhängig von einem Versatz der Meßsysteme KNIP1 und K1
bzw. des Maschinenteils, an dem die Meßsysteme befestigt sind, in
x-Richtung, d. h. senkrecht zur Führungsrichtung y.
Wie man leicht anhand der in Fig. 3 skizzierten Verhältnisse sieht,
besteht der Zusammenhang
Δx1 = x0 + b · (yi-y0) (1)
Darin bezeichnet
Δx1 den ermittelten Versatz. Mit diesem Wert wird das Korrekturmeßsystem K1 initialisiert.
y0 einen Referenzpunkt des Wegmeßsystems M
x0 einen Referenzpunkt für die Korrekturmeßsysteme K1 bzw. K2
b den Tangens des Winkels zwischen den Achsen der Zylinderlinsen (4 und 5). Dieser Wert ist eine Maschinenkonstante, die lediglich einmal nach dem Anbringen der Zylinderlinsen bestimmt werden muß.
Δx1 den ermittelten Versatz. Mit diesem Wert wird das Korrekturmeßsystem K1 initialisiert.
y0 einen Referenzpunkt des Wegmeßsystems M
x0 einen Referenzpunkt für die Korrekturmeßsysteme K1 bzw. K2
b den Tangens des Winkels zwischen den Achsen der Zylinderlinsen (4 und 5). Dieser Wert ist eine Maschinenkonstante, die lediglich einmal nach dem Anbringen der Zylinderlinsen bestimmt werden muß.
In gleicher Weise überfährt danach der Null-Impulsgeber KNIP2 die
Zylinderlinsen (4 und 5), wobei wieder zwei Signale der in Fig. 4
dargestellten Form entstehen.
Die Meßsysteme K1 und in gleicher Weise auch K2 lassen sich nun
initialisieren, indem die zwischen den beiden Signalen A1/2 und B1/2
der Korrektur-Nullimpulsgeber KNIP1 und KNIP2 auftretenden
Inkremente und Interpolationswerte des Wegmeßsystems M gezählt und
z. B. von einem elektronischen Rechner unter Verwendung von Gleichung
(1) weiterverarbeitet werden. Sind die beiden Meßsysteme K1 und K2
initialisiert, ist nicht nur der Versatz des beweglichen Maschinenteils
senkrecht zur Führung absolut ermittelt, sondern auch der
Winkel γ absolut festgelegt, unter dem das Maschinenteil in der
Ebene der Achsen x und y, d. h. also um die vertikale, dritte Achse z
verdreht oder verkippt ist. Der Wert DZ für diesen Führungsfehler
ergibt sich durch Differenzbildung unmittelbar aus den bei der
Initialisierung ermittelten Werten für den Versatz Δx1 und Δx2 der
Meßsysteme K1 bzw. K2 und dem in der Zeit zwischen der Initialisierung
der beiden Meßsysteme K1 und K2 aufgetretenen, vom erstinitialisierten
Meßsystem K1 bereits gemessenen Korrekturwert Δk1,2
zu:
Somit sind Versatz, Schräglage und Position eines mit dem beschriebenen
Wegmeßsystem ausgerüsteten Maschinenteils im Zuge einer
einzigen Eichfahrt in Führungsrichtung bestimmt.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht die Referenzmarke
für die Initialisierung aus zwei Zylinderlinsen. Es ist jedoch klar,
daß anstelle der Zylinderlinsen auch winklig zueinander angeordnete
Strichfiguren als Referenzmarke dienen können, die dann durch ein
photoelektrisches System abgetastet werden, wie es die Geber M, K1
und K2 enthalten.
Claims (5)
1. Wegmeßeinrichtung für bewegliche Maschinenteile mit einem
inkrementalen Korrekturmeßsystem (3, K1, K2) für die Ermittlung
von Führungsfehlern wie Versatz oder Verkippung des Maschinenteils,
dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Korrekturmeßsystem
(3, K1, K2) zusätzlich mindestens eine aus zwei Teilstrukturen
(4, 5) bestehende Marke und ein Lesekopf (KNIP1, KNIP2) für die Abtastung
der Marke vorgesehen sind, wobei die Teilstrukturen (4, 5)
zueinander winklig so angeordnet sind, daß ihr Abstand (y-y₀) in
Führungsrichtung (y) eine Funktion des Versatzes (x) senkrecht zur
Führungsrichtung ist, und daß der Lesekopf (KNIP1, KNIP2) während
einer Bewegung des Maschinenteils in Richtung seiner Führung die
Marke überfährt und hierbei Signale abgibt, die Anfangswerte der
Führungsfehler darstellen und zur Initialisierung des Korrekturmeßsystems
(3, K1, K2) dienen.
2. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Marke als Nullimpulsmarke (4, 5) neben einer Maßstabsteilung (2) und
einer inkrementalen Korrekturspur (3) angebracht ist.
3. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nullimpulsmarke (4, 5) aus zwei auf eine spiegelnde Fläche aufgebrachten
Zylinderlinsen besteht, wobei die eine Zylinderlinse (4)
mit ihrer Achse senkrecht und die andere Zylinderlinse (5) unter
einem Winkel α von vorzugsweise 45°C zur Führungsrichtung (y) geneigt
angeordnet ist.
4. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
zur Ablesung der Nullimpulsmarke (4, 5) am beweglichen Maschinenteil
befestigte Lesekopf (KNIP1, KNIP2) eine Leuchtdiode (6) als Sender
und eine Differenzphotodiode (7) als Empfänger enthält.
5. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Lesekopf zwei unter einem Abstand (a) in Führungsrichtung (y) angeordnete
Signalgeber (KNIP1, KNIP2) zur Abtastung der Nullimpulsmarke
(4, 5) vorgesehen sind.
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