DE4009749A1 - Verfahren und anordnung zur ueberwachung eines winkel- oder laengenmesssystems an einer maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung ist im wissenschaftlichen Gerätebau, im allge­ meinen Maschinenbau und in der Werkzeugmaschinenindustrie zur Überwachung von hochauflösenden Winkel- oder Längenmeß­ systemen an einer Maschine anwendbar.

Im Werkzeugmaschinenbau und im allgemeinen Maschinenbau wer­ den in großem Umfang Längen- und Winkelmeßsysteme eingesetzt. Grundsätzlich sind dabei zwei Arten bekannt, wobei die eine Art unter dem Begriff Absolutwert-System und die andere Art unter dem Begriff Inkremental-Zählsystem zu beschreiben sind. Absolutwertsysteme, z. B. CH 3 74 207 und Inkremental-Systeme, z. B. CH 4 99 091 haben jeweils eine Reihe spezifischer Vor- und Nachteile. Eine Reihe von Lösungen vereinigt mit spezi­ fischen hybriden Lösungen die Vorteile von beiden bzw. ver­ meidet deren Nachteile, z. B. DE 24 16 212 B2 oder DE 31 44 334 C2. Für den Einsatz in modernen Fertigungssyste­ men ist eine hohe Funktionssicherheit dieser Meßsysteme von hervorragender Bedeutung, da Falschanzeigen der Meßsysteme erhebliche Schäden hervorrufen können. Deshalb gibt es erheb­ liche Anstrengungen, um mittels Überwachungstests eine recht­ zeitige Fehlererkennung zu erhalten und damit Folgeschäden abzuwenden. Viele Lösungen werten elektrisch/elektronische Parameter aus, um bei Abweichungen von vorgeschriebenen Funk­ tionsparametern Fehlermeldungen auszulösen, z. B. CH 4 99 091; CH 4 72 021, DD 1 30 685; DE 20 20 393 A1; DE 35 28 796 A1 und DE 34 31 841 A1.

Dabei gibt es jedoch keine funktionsgerechte Kontrolle der metrologischen Richtigkeit der Anzeige des Meßsystems, d. h. selbst wenn die kontrollierten Parameter in Ordnung sind, können Anzeigefehler des Meßsystems nicht ausgeschlossen wer­ den. Deshalb werden mit anderen Lösungen, z. B. DE 12 14 892 A1, die Anzeigen des Meßsystems mit Zusatzinformationen, die in Hilfsmarken auf der Maßstabsteilung enthalten sind, vergli­ chen. Damit wird die Zählung funktionsgerecht kontrolliert, der Nachteil ist jedoch, daß mit dieser Methode beim Test die Maschine verfahren werden muß, was jedoch aus den ein­ gangs gesagten Gründen im Fehlerfall gefährlich sein kann. Gleiches gilt für die Kontrolle des Meßsystems in der Maschi­ ne mittels eines Fremd-Meßsystems, zumeist eines Laser- Wegmeßsystems, wie dies auch bei der Maschinen-Abnahme oder einer Korrekturwert-Ermittlung erfolgt (Feingerätetechnik 1984, Heft 9, S. 410, Feingerätetechnik 1984, Heft 12, S. 537).

Zudem ist der Anbau eines Fremd-Meßsystems zum Test des maschineneigenen Meßsystems aufwendig und zeitraubend.

Ziel der Erfindung ist es, für ein an einer Maschine einzu­ setzendes Längen- oder Winkelmeßsystem eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mittels denen ein Überwachungstest schnell und funktionsgerecht einschließlich Prüfung der metrologischen Richtigkeit des Anzeigeergebnisses durchge­ führt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren an­ zugeben und eine Anordnung zu entwickeln, die eine Überwa­ chung eines Winkel- oder Längenmeßsystems mit einfachen Mit­ teln bei Stillstand der relativ zueinander beweglichen Ma­ schinenelemente ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren und bei einer Anordnung mit einem Winkel oder Längenmeßsystem, welches aus einer Rasterteilung mit Referenz­ marken auf einem Teilungsträger, aus einer Abtasteinrichtung zur Abtastung der Rasterteilung und der Referenzmarken und aus einer Auswerte- und Anzeigeeinheit besteht, das Meßsystem nicht in üblicher Weise mit dem Teilungsträger an einem ersten Maschinenelement und der Abtasteinrichtung an einem zweiten Maschinenelement abgebracht ist, wobei die Relativ­ bewegung zwischen erstem und zweitem Maschinenelement zu messen ist, sondern entweder die Abtasteinrichtung oder der Teilungsträger zunächst in eine Positioniereinrichtung auf­ genommen ist und über diese Positioniereinrichtung die Ver­ bindung zum ersten bzw. zweiten Maschinenelement hergestellt ist. Diese Positioniereinrichtung ist so ausgelegt, daß sie für die Abtasteinrichtung bzw. den Teilungsträger in Teilungs­ richtung, d. h. folglich auch in Meßrichtung, zwei unter­ schiedliche feste Positionen realisieren kann. Der Verstell­ weg zwischen diesen beiden Positionen wird einmalig bestimmt und ist somit als Normalwert bekannt, er kann durch die Dif­ ferenz der Meßsystemanzeige in beiden Positionen bestimmt werden. Dieser Normalwert ist von nun an ein Testkriterium für die Funktion des Meßsystems, d. h. in beliebiger Relativ­ lage zwischen erstem und zweitem Maschinenelement und somit an beliebigen Stellen des Meßbereiches des Meßsystems muß fernerhin die Differenz zwischen den Anzeigen der einen zur anderen Position in der Positioniereinrichtung, d. h. also der zurückgelegte Verstellweg, gleich dem erstmals ermittel­ ten Normalwert sein, wenn zu Testzwecken die Position in der Positioniereinrichtung gewechselt wird und das Meßsystem in Ordnung ist. Zu diesem Zweck enthält die Positioniereinrich­ tung neben den beiden stabilen Fixierelementen ein Verstell­ element, welches den Übergang von der einen in die andere stabile Position bewirkt. Weiterhin müssen erfindungsgemäß Mittel in der Auswerte- und Anzeigeeinrichtung enthalten sein, welche den mechanisch initiierten Verstellweg anhand der Zählsignale des Meßsystems erfassen können. Dieses ist beim reinen Inkrementalsystem z. B. der Hauptzähler selbst, beim reinen Absolutwertsystem wäre es ein Differenzbildner für die beiden den stabilen Positionen zugeordneten Absolutwerte und bei einem hybriden System wäre es z. B. ein eigens dafür vorgesehener Zähler für die inkrementale Zählfolge, der je­ doch beim Überfahren von abstandscodierten Referenzmarken nicht wie der Hauptzähler von einem Absolutwert überschrie­ ben würde. Der mit diesen Mitteln erfaßte Verstellweg wird mit geeigneten Mitteln, z. B. elektronischer Vergleichsschal­ tung, numerischer Vergleich mittels Steuerrechner o. ä., mit dem Normalwert verglichen. Im Falle der Übereinstimmung ist an der getesteten Stelle das Meßsystem in Ordnung, anderen­ falls erfolgt Fehlermeldung. Dabei erfolgt dieser Über­ wachungstest bei Stillstand des ersten gegenüber dem zweiten Maschinenelement.

Während für den Vergleich mit dem Normalwert nur der Betrag des Verstellweges herangezogen wird, kann das Vorzeichen des Verstellweges zur Unterscheidung der ersten stabilen Posi­ tion von der zweiten stabilen Position der Abtasteinrichtung bzw. des Teilungsträgers in der Positioniereinrichtung her­ angezogen werden, dazu könnten aber auch andere Mittel ge­ schaffen oder eine richtungsvorgebende Ansteuerung des Ver­ stellelementes genutzt werden. Wenn sich die Maschinen- Grundeinstellung bzw. die Maschinen-Abnahme auf die Stellung der Abtasteinrichtung bzw. des Teilungsträgers in der ersten stabilen Position in der Positioniereinrichtung bezog, dann muß, wenn nach einem Überwachungstest in der zweiten stabi­ len Position verblieben wird, die Anzeige des Meßsystems entweder im Meßsystem selbst oder in der Steuerung der Maschine um den vorzeichenbehafteten Verstellweg, der gleich dem Normalwert ist, korrigiert werden. Dies ist eine ein­ fache Korrektur mit einem Konstantbetrag.

Der beschriebene Überwachungstest kann nach erfolgten Stö­ rungen an der Maschine zur Kontrolle des Meßsystems an den Stellen der Relativzuordnung zwischen erstem und zweitem Maschinenelement, also an den Stellen des Meßbereiches, wo die Störung auftrat, erfolgen. Er kann weiterhin grundsätz­ lich nach allen Einschaltvorgängen oder grundsätzlich zu Beginn eines neuen Bearbeitungszyklus erfolgen. Es ist auch mit maschinen- bzw. meßsystemeigenen Mitteln eine Komplett­ überprüfung möglich, indem der Überwachungstest wiederholt im Abstand von jeweils höchstens dem Verstellweg über dem gesamten Meßbereich des Meßsystems durchgeführt wird. Die Positioniereinrichtung kann vorteilhafterweise so ausgelegt werden, daß der Verstellweg in der Größenordnung weniger mm bis zu einigen cm liegt. Es sind Verstellelemente bekannt, die für solche Verstellwege die Verstellung in Bruchteilen von Sekunden realisieren können und somit dieser Überwa­ chungstest die Maschine zeitlich kaum belastet.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Das in der Zeichnung schematisch dargestellte hybride Längen­ meßsystem besteht aus folgenden Elementen:

Auf einem Teilungsträger 1 von 1 m Länge sei einerseits eine Rasterteilung 2 mit einer Rasterperiode von 8 µm und ande­ rerseits eine Referenzmarkenfolge 3 aufgebracht, wobei die beiden ersten Referenzmarken auf dem Teilungsträger einen Abstand von 1 cm zueinander haben und sich dieser Abstand bei allen folgenden Referenzmarken um jeweils 8 µm verkürzt.

Anhand der durch die Abtasteinrichtung 5 gewonnenen Zähl- und Referenzsignale wird in der Auswerte- und Anzeigeeinrich­ tung 7 in bekannter Weise ein durch Absolutwertangaben ge­ stützter Zählwert gebildet und als Anzeige 22 des Meßsystems ausgegeben.

Der Teilungsträger 1 ist fest am ersten Maschinenelement, dem Maschinenbett 4 angebracht. Die Abtasteinrichtung 5 ist am zweiten Maschinenelement, einem Support 6 mittels der Positioniereinrichtung 8 angebracht. Diese besteht aus dem maßstabilen Basiselement 20, an welchem zwei mechanische Anschläge 18 und 19 angebracht sind sowie aus einem Verstell­ element 12, welches z. B. durch einen durch Federn vorge­ spannten Schubmagneten realisiert sein kann.

Die Abtasteinrichtung 5 befindet sich in einer stabilen Lage 10, wenn sie durch das Verstellelement 12 an den mechanischen Anschlag 18 gedrückt wird und in der zweiten stabilen Lage 11, wenn sie an den mechanischen Anschlag 19 gedrückt wird. Zwischen beiden stabilen Lagen ergibt sich in Teilungsrich­ tung 9 ein Verstellweg 14 von etwa 25 mm gemäß Tolerierung der mechanischen Teile.

Der präzise Verstellweg 14, der als Normalwert 17 in der Aus­ werte- und Anzeigeeinrichtung 7 zu speichern ist, möge sich beim Einmessen bzw. beim ursprünglichen Funktionstest des Meßsystems zu 24,982 mm ergeben.

Beim Überwachungstest, z. B. nach einem Stromausfall an der Maschine, wird mittels Verstellelement 12 die stabile Posi­ tion 10 bzw. 11 gegen die jeweils andere gewechselt. Die da­ bei entstehenden Zählsignale des Meßsystems 15 werden in einem Verstellwegzähler 13 erfaßt. Der so erfaßte Verstellweg 14 wird mittels einer Vergleichslogik 16 mit dem gespeicher­ ten Normalwert 17 verglichen. Die Vergleichslogik 16 ist so ausgelegt, daß bei Abweichungen von größer als ±1 µm vom Normalwert von 24,982 mm die Signalleitung 21 für die Fehler­ meldung H-Pegel erhält, im anderen Fall L-Pegel.

In der Auswerte- und Anzeigeeinrichtung 7 wird anhand des Vorzeichens beim Verstellwegzähler 13 erkannt, ob sich die Abtasteinrichtung 5 in der ersten stabilen Lage 10 oder der zweiten stabilen Lage 11 befindet.

Wenn sich die ursprüngliche Maschinenjustierung bzw. Maschi­ nenabnahme auf die erste Lage 10 bezog, dann wird in der Aus­ werte- und Anzeigeeinrichtung im Falle der zweiten stabilen Lage 11 mit nicht dargestellten Mitteln der Normalwert = 24,982 mm zur Anzeige 22 des Meßsystems addiert. Diese additive Korrektur mit einem Konstantwert kann auch in der Maschinensteuerung erfolgen, für die die Anzeige 22 die Ein­ gangsgröße darstellt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Überwachung eines Winkel- oder Längenmeß­ systems an einer Maschine, bei dem zu markanten Zeitpunk­ ten durch eine Relativbewegung zwischen einem Teilungs­ träger und einer Abtasteinrichtung aus den Zählsignalen, die von der Abtasteinrichtung abgegeben werden, in einer Auswerteeinrichtung Signale erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Stillstand der Maschinenelemente (4, 6) der Tei­ lungsträger (1) oder die Abtasteinrichtung (5) durch ein Verstellelement (12) einer Positioniereinrichtung (8) in Richtung (9) der Teilung von einer stabilen Position in eine zweite stabile Position bewegt wird,
daß mit Hilfe der Auswerteeinrichtung (7) aus den Zähl­ signalen der Abtasteinrichtung (5) der vorzeichenbehaftete Verstellweg (14) ermittelt wird,
daß der ermittelte Verstellweg (14) in einem aus der Aus­ werteeinrichtung (7) gespeicherten Normalwert (17) ver­ glichen wird,
daß bei Abweichung beider Werte voneinander eine Fehler­ meldung abgegeben wird und bei Übereinstimmung beider Wer­ te in der einen stabilen Position der Meßwert des Meß­ systems direkt der Relativlage zwischen erstem (4) und zweitem Maschinenelement (6) zugeordnet wird und in der anderen stabilen Position der Meßwert des Meßsystems vor der Zuordnung zur Relativlage zwischen erstem und zweitem Maschinenelement (4, 6) mit dem vorzeichenbehafteten Ver­ stellweg (14) korrigiert wird.

2. Anordnung zur Überwachung eines Winkel- oder Längenmeß­ systems an einer Maschine, bei der an einem ersten Ma­ schinenelement ein Teilungsträger mit einer Rasterteilung und mit Referenzmarken angebracht ist und bei der an einem zweiten Maschinenelement, welches zum ersten Maschi­ nenelement relativ beweglich ist, eine Abtasteinrichtung für die Rasterteilung und die Referenzmarken angebracht ist, wobei die Abtasteinrichtung mit einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Positioniereinrichtung (8) fest am ersten (4) oder zweiten Maschinenelement (6) vorgesehen ist, die aus einem Verstellelement (12) für den Teilungsträger (1) oder die Abtasteinrichtung (5) relativ zum ersten (4) oder zweiten Maschinenelement (6) in Teilungsrichtung (9) besteht, und die zwei Fixierelemente (18, 19) für einen definierten Anfangs- und Endwert der Verstellung beinhal­ tet,
daß in der Auswerte- und Anzeigeeinrichtung (7) Mittel zur Erfassung des Verstellweges (14) des Teilungsträgers (1) oder der Abtasteinrichtung (5) von der einen in die andere stabile Position anhand der Zählsignale (15) des Meßsystems vorgesehen sind, und
daß in die Auswerte- und Anzeigeeinrichtung (7) Mit­ tel (16) zum Vergleich des erfaßten Verstellwinkels oder Verstellweges (14) mit einem in der Auswerteeinrichtung (7) gespeicherten Normalwert (17) enthalten sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Fixierelemente feste mechanische Anschläge (18, 19) vorgesehen sind, und
daß diese Anschläge (18, 19) auf einem maßstabilen Basiselement (20) der Positioniereinrichtung (8) instal­ liert sind.