DE4111873A1 - Standortbestimmungs-vorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des
jeweiligen Standortes der beweglichen Baugruppen einer
Werkzeugmaschine, beispielsweise der Schlitten zueinander
bzw. zum Bett der Werkzeugmaschine.
Zu diesem Zweck ist es bekannt, beispielsweise für die
lineare Längenmessung des Verfahrweges einer Komponente an
dieser Komponente eine optoelektronische Baugruppe
anzuordnen, die sich entlang eines Längenmaßstabes, meist
eines Inkremental-Maßstabes, die an der feststehenden
Baugruppe befestigt ist, entlang bewegt.
Üblicherweise handelt es sich dabei um einen Glas-Maßstab,
auf dem sich durchsichtige und geschwärzte Bereiche
abwechseln. Die optoelektronische Einheit weist eine
Lichtquelle auf, die den Glas-Maßstab durchstrahlt und
wobei bei Bewegung der Einheit entlang des Glas-Maßstabes
diese Durchstrahlung immer wieder von den geschwärzten
Bereichen des Glasmaßstabes unterbrochen wird. Da jeder
Wechsel von einem lichtdurchlässigen zu einem geschwärzten
Bereich einer Längeneinheit entspricht und die
Bewegungsrichtung ebenfalls festgehalten wird, ist durch
Addierung und Subtrahierung der jeweils zurückgelegten
Längeneinheiten - ausgehend von einem Referenzpunkt - der
jeweilige Standort der beweglichen Baugruppe nach
zeitgleicher Auswertung der Signale durch eine
Recheneinheit bekannt.
Da eine Längenmessung teilweise im 1/1000 mm-Bereich
gefordert ist und geschwärzte Bereiche in dieser Feinheit
nicht auf dem Längenmaßstab aufgebracht werden können, ist
diese Spur für die Wegmessung in mehrere Teilspuren
unterteilt, auf denen jeweils ein Wechsel von einem
lichtdurchlässigen zu einem geschwärzten Bereich versetzt
zueinander stattfindet. Durch parallele Abtastung dieser
Teilspuren und Vergleich der Signale kann dadurch eine
Wegmessung erzielt werden, die eine höhere Auflösung
besitzt als die Auflösung auf einer der Teilspuren für sich
betrachtet.
Zusätzlich zu dieser Wegmessung ist es bei Werkzeug
maschinen gefordert, aus Sicherheitsgründen mit Hilfe
signalgebender Elemente die Referenzlage der zueinander
beweglichen Bauteile, also beispielsweise des
Bettschlittens gegenüber dem Maschinenbett, zu
charakterisieren. Falls in der Wegmessung der
Werkzeugmaschine eine Fehlberechnung etc. erfolgt, kann die
bewegliche Baugruppe einmal den gesamten Arbeitsbereich
abfahren, wobei beim Überfahren des Referenzpunktes
aufgrund des entsprechenden Signales die bewegliche
Baugruppe angehalten wird und dadurch die beiden Baugruppen
wieder in der Referenzlage zueinander angeordnet sind, die
der Nullage für die von hier ab ausgehende Wegmessung
darstellt.
Ebenso ist für die Extremlagen, also die Endpunkte des
zulässigen Arbeitsbereiches, jeweils ein signalgebendes,
eindeutiges Element vorzusehen, bei dessen Erreichen der
Vorschub für die sich bewegende Einheit automatisch
abgeschaltet wird, um eine Kollision mit benachbarten
Baugruppen etc. zu vermeiden.
Als Sensoren für die Referenzlage und die genannten beiden
Extremlagen wurden bisher entweder elektromechanische
Endschalter oder berührungsfreie Endschalter verwendet. Da
diese Endschalter für die entsprechenden Anlaufflächen etc.
zugänglich sein müssen und sich darüber hinaus meist
unterhalb des Arbeitsbereiches der Werkzeugmaschine
befanden aufgrund der Lage der jeweiligen Schlitten am
Maschinenbett, waren diese Sensoren auch für Verschmutzung
und Beschädigung zugänglich. Dadurch konnte es immer wieder
zu einem Verlassen des Arbeitsbereiches und damit
Maschinenkollisionen kommen, die nicht nur die
Werkzeugmaschine, sondern auch den Bediener im höchsten
Maße gefährden können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die signalgebenden
Elemente für die Referenzlage und die beiden Extremlagen
des Arbeitsbereiches so anzuordnen und auszubilden, daß
deren Verschmutzung und Beschädigung möglichst
ausgeschlossen wird und ein Nachjustieren der
signalgebenden Elemente überflüssig wird. Zusätzlich sollen
diese signalgebenden Elemente gut zugänglich sein und nur
einen geringen Platzbedarf besitzen.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben
sich durch die Unteransprüche.
Als signalgebende Elemente können punktuelle Markierungen
oder ein Wechsel in der Bereichskennzeichnung auf dem
bereits vorhandenen Maßstab für die Wegmessungen angebracht
werden.
Aus Sicherheitsgründen werden diese Markierungen auf einer
separaten Spur des Maßstabes untergebracht und durch
wenigstens eine separate Abtasteinheit abgetastet.
Dabei muß die Referenzlage durch eine eindeutige Markierung
repräsentiert werden, die exakt angefahren werden kann.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die innerhalb des
Arbeitsbereiches liegende Referenzlage nicht nur punktuell
markiert ist, sondern die beiden links und rechts
befindlichen Teilbereiche des Arbeitsbereiches durch
unterschiedliche Markierungen gekennzeichnet sind, so daß
bei einem Stillstand der Abtasteinheit aufgrund der Art der
Markierung klar ist, auf welcher Seite des Referenzpunktes
sich die bewegliche Einheit befindet und damit die für das
Anfahren des Referenzpunktes notwendige Bewegungsrichtung
automatisch vorgegeben werden kann. Dies vermeidet ein
vollständiges Abfahren des Arbeitsbereiches für das
Anfahren des Referenzpunktes.
Ebenso ist es vorteilhaft, auch die Extremlagen, also die
beiden Endpunkte des zulässigen Arbeitsbereiches, nicht nur
durch eine punktuelle, sich voneinander sowie von der
Markierung für die Referenzlage unterscheidenden Markierung
darzustellen:
Falls die beiden Bereiche jeweils außerhalb der einzelnen
Extremlagen durch unterschiedliche Bereichsmarkierungen
repräsentiert werden, die sich zusätzlich auch von den
Markierungen der Bereiche innerhalb des Arbeitsbereiches
unterscheiden, so ist beim Überfahren einer Extremlage -
was trotz Schubabschaltung aufgrund der Massenträgheit der
Maschinenkomponenten möglich ist - auch ohne Bewegung der
Maschinenkomponenten immer klar, auf welcher Seite sich die
bewegliche Einheit außerhalb des Arbeitsbereiches befindet.
Wird auf diese Weise eine Lage links außerhalb des
Arbeitsbereiches festgestellt, so wird für das Zurückfahren
in den Arbeitsbereich automatisch eine Bewegungsrichtung
nach rechts vorgegeben. Damit wird vermieden, daß sich
außerhalb des Arbeitsbereiches befindliche Maschinen
komponenten noch weiter in den Kollisionsbereich
hineinfahren.
Die Extremlagen werden damit durch den Wechsel einer der
Bereichsmarkierungen innerhalb des Arbeitsbereiches, also
links oder rechts des Referenzpunktes, zu einer anderen
Bereichsmarkierung außerhalb eines der Extrempunkte
repräsentiert. Somit ist für eine eindeutige Erkennung, in
welchem Bereich sich die bewegliche Maschinenkomponente
befindet, die zweite Spur des Maßstabes in vier Bereiche
einzuteilen, die eine jeweils unterschiedliche Markierung
aufweisen, wobei der Wechsel jeweils an den beiden
Extrempunkten des Arbeitsbereiches und dem Referenzpunkt
stattfindet.
Aus Sicherheitsgründen ist es ferner vorteilhaft, wenn jede
Spur, also die Spur für die Wegmessung einerseits und die
Spur für die Lageerkennung andererseits, mit wenigstens
jeweils einer separaten, optoelektronischen Abtasteinheit
gelesen wird, wobei sich die Abtasteinheiten durchaus in
einem gemeinsamen Abtastschlitten befinden können. Eine
Verstellung von Referenzpunkt und Extremlagen ist möglich,
indem entweder die beiden Abtasteinheiten innerhalb des
Abtastschlittens relativ zueinander verstellt werden
können, oder indem die für die Lageerkennung benutzte Spur
in ihrer Position bezüglich ihres Trägerbauteiles, also
beispielsweise des Gehäuses für den Längenmaßstab,
verstellt werden kann. Vorteilhafterweise ist der Maßstab
selbst, bzw. das ihn umschließende Gehäuse, am
feststehenden Bauteil, beispielsweise dem Bett der
Werkzeugmaschine, und der Abtastschlitten mit den
Abtasteinheiten am beweglichen Bauteil, also beispielsweise
dem Bettschlitten, befestigt.
Wie bei den bekannten Inkremental-Meßstäben für die
Wegemessung befindet sich dabei der Maßstab in einem
gekapselten Gehäuse, in welches ein Ausleger des
Abtastschlittens durch einen weitestgehend abgedichteten
Schlitz, der in der Bewegungsrichtung der beweglichen
Maschinenkomponente verläuft, hineinragt. Zusätzlich ist
das Innere des Gehäuses mit Überdruck zwangsbelüftet, so
daß ein Eindringen von Staubteilchen etc. durch die
Dichtungen in das Gehäuse vermieden wird. Der Ausleger
trägt in diesem Fall sowohl die Lichtquelle bzw.
Lichtquellen als auch die wenigstens zwei separaten
Abtasteinheiten für die beiden Spuren des Maßstabes.
Obwohl eine derartige Vorrichtung für die Standort
bestimmung vorzugsweise für Linearbewegungen an Werkzeug
maschinen geeignet ist, kann in gleicher Weise eine
rotatorische Bewegung auf diese Art und Weise ebenfalls
überwacht werden, indem beispielsweise der Maßstab anstelle
von linearen Inkrementen Winkelinkremente aufweist. Für die
Wegemessung von Winkelbewegungen mit Hilfe mehrerer,
koaxial angeordneter Teilspuren, ist bisher der sog.
Graycode bereits bekannt, bei dem sich die Markierungen auf
den einzelnen Teilspuren, die dann natürlich auch separat
abgetastet werden müssen, in der bereits beschriebenen Art
und Weise überlappen zur Erzielung einer Auflösung für die
Wegemessung, die feiner ist als die Auflösung einer
einzelnen der Teilspuren.
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden
beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Eine Aufsicht auf eine Werkzeugmaschine mit dem
Bettschlitten,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der einzelnen Spuren des
Maßstabes und
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des im Gehäuse aufgenom
menen Längenmaßstabes an der Werkzeugmaschine.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Werkzeugmaschine mit
einem Maschinenbett 31, auf dessen Oberseite Führungsbahnen
22 angeordnet sind, auf welchen ein Bettschlitten 3 in
Längsrichtung der Werkzeugmaschine verfahrbar ist. Der
Bettschlitten 3 wird mittels einer üblichen Gewindespindel
21, die von einem Vorschubmotor 5 angetrieben wird, verfah
ren.
Seitlich an dem Bett 31 der Werkzeugmaschine ist der Glas
maßstab 6 befestigt, der in einem Gehäuse 7 gekapselt ist.
Am Bettschlitten 3 ist ein Abtastschlitten 4 befestigt,
dessen Ausleger 10 - wie in Fig. 3 zu erkennen - durch
einen Schlitz 14, der sich in Bewegungsrichtung des Bett
schlittens 3 entlang des Gehäuses 7 erstreckt, in das Ge
häuse 7 hinein erstreckt. Um das Eindringen von Schmutz
teilchen in das Gehäuse durch den Schlitz 14 zu erschweren,
weist dieser eine Dichtung 13 auf.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das Gehäuse 7 am Bett 31
der Werkzeugmaschine befestigt. Im Inneren befindet sich
der gläserne Maßstab 6 mit seinen beiden Spuren 1 und 2,
die wiederum in Teilspuren 1a und 1b bzw. 2a und 2b
unterteilt sind, wie besser aus Fig. 2 ersichtlich. Hinter
dem Maßstab 6 ist sind die Abtasteinheiten 8 auf der Höhe
der jeweiligen Teilspuren angeordnet, die das Auftreffen
der Lichtstrahlen aus der gemeinsamen Lichtquelle 12
registriert, die sich auf der anderen Seite des Maßstabes 6
befindet.
Anstelle der mit dem Abtastschlitten 4 verbundenen
Abtasteinheiten 8 kann auch ein Sensorbereich verwendet
werden, der fest mit der Rückseite des Maßstabes 6
verbunden ist und dessen Längenabmessung hat, oder es kann
ein Reflektor verwendet werden, so daß die Abtasteinheiten
8 neben der Lichtquelle auf der gleichen Seite des
Maßstabes sitzen.
Im vorliegenden Fall werden alle Abtasteinheiten 8 aus nur
einer Lichtquelle 12, die - parallel zu den jeweiligen
Spuren - auf dem innerhalb des Gehäuses 7 liegenden Teil
des Auslegers 10 des Abtastschlittens 4 angeordnet ist, der
am Bettschlitten 3 befestigt ist, bestrahlt und auch die
damit gekoppelten Abtasteinheiten 8 an den Spuren 1 und 2
entlang bewegt.
In Fig. 3 ist ferner die Zuführung 11 für die Zwangsbelüf
tung zu erkennen, die das Innere des Gehäuses 7 unter einem
ständigen Überdruck hält, wobei ein Entweichen der Luft nur
durch die Dichtung 13 des Schlitzes 14 und evtl. andere un
dichte Stellen des Gehäuses 7 möglich ist, so daß ein
Eindringen von Schmutzteilchen äußerst unwahrscheinlich
ist, sofern die durch die Zuführung 11 eingeblasene Luft
sauber ist.
Fig. 2 stellt im oberen Bereich die beiden Spuren 1 und 2
dar, von denen die Spur 1 der Wegmessung und die Spur 2 der
Lagebestimmung des beweglichen Teiles der Werkzeugmaschine
dienen.
Spur 1 ist in die beiden Teilspuren 1a und 1b unterteilt,
die in Längsrichtung jeweils einen gleichmäßigen Wechsel
geschwärzter Inkremente 15 und durchsichtiger Inkremente 16
aufweisen, die jeweils so schmal wie möglich ausgebildet
werden, um eine möglichst hohe Meßgenauigkeit zu erzielen.
Zur weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit ist die andere
Halbspur 1b mit der gleichen Abfolge von geschwärzten und
lichtdurchlässigen Inkrementen 15, 16 ausgestattet, die
jedoch um die halbe Breite eines Inkrementes gegenüber der
oberen Halbspur 1a versetzt sind. Durch getrennte Abtastung
der beiden Halbspuren 1a und 1b und Vergleich der Signale
ergibt sich durch die Parallelabtastung mehrerer Teil
spuren, für die auch der sog. Graycode bekannt ist, eine
Genauigkeit der Wegmessung, die über der Breite der
einzelnen Inkremente 15, 16 liegt.
Ebenso ist es möglich, für die Halbspuren 1a und 1b die
gleiche, fluchtende Strichkodierung zu verwenden, die
diesen zugeordneten Abtasteinheiten 8 jedoch um z. B. eine
halbe Strichbreite in Längsrichtung zueinander zu
versetzen.
Unterhalb der Spur 1 ist die Spur 2 für die Standortbe
stimmung dargestellt, die ebenfalls in Teilspuren 2a und 2b
unterteilt ist.
Da der gesamte Verfahrbereich 23 die beiden Extremlagen des
zulässigen Arbeitsbereiches 24 und den innerhalb des
Arbeitsbereiches 24 liegenden Referenzpunkt 25 aufweisen,
ergeben sich innerhalb des Verfahrbereiches 23 vier unter
schiedliche Bereiche, nämlich Bereich
A: Links der linken Extremlage,
B: zwischen der linken Extremlage und dem Referenzpunkt 25,
C: zwischen dem Referenzpunkt 25 und der rechten Extremlage und
D: rechts der rechten Extremlage.
A: Links der linken Extremlage,
B: zwischen der linken Extremlage und dem Referenzpunkt 25,
C: zwischen dem Referenzpunkt 25 und der rechten Extremlage und
D: rechts der rechten Extremlage.
Bei einer nur digitalen Erkennungsmöglichkeit des Sensorbe
reiches 8 (lichtdurchlässig/geschwärzt) sind für die unter
schiedliche Kennzeichnung von vier Bereichen zwei Parameter
ausreichend, und damit die Unterteilung der zweiten Spur in
zwei Teilspuren 2a und 2b.
Die Kennzeichnung der einzelnen Bereiche A, B, C, D könnte
damit wie in der zweiten Spur dargestellt aussehen:
Im Bereich A sind beide Teilspuren 2a und 2b geschwärzt, im
Bereich B ist Teilspur 2a geschwärzt, während Teilspur 2b
durchsichtig ist, im Bereich C ist Teilspur 2a durchsichtig
und Teilspur 2b geschwärzt, und im Bereich D sind beide
Teilspuren 2a und 2b lichtdurchlässig.
Damit kann auch bei stillstehendem Abtastschlitten 4 durch
Betrachtung des jeweiligen Zustandes der beiden Teilspuren
2a und 2b jederzeit eine Aussage über den Standort der be
weglichen Einheit bzw. des damit verbundenen Abtastschlit
tens 4 vorgenommen werden.
Die einzelnen Teilspuren 1a, 1b bzw. 2a, 2b, können ent
weder mit jeweils einer, geringfügig verschwenkbaren
Abtasteinheit 12, oder durch getrennte, nebeneinander ange
ordnete Abtasteinheiten für jede Teilspur abgetastet
werden.
Der Wechsel der Markierungen zwischen den Bereichen A und
B, bzw. B und C, bzw. C und D stellt damit das signalgeben
de Element dar, welches der Lage des Referenzpunktes 25
bzw. der beiden Extremlagen 26 und 27 entspricht.
Claims (8)
1. Standortbestimmungs-Vorrichtung für Werkzeugmaschinen
mit einem Inkremental-Maßstab, und einer demgegenüber be
weglichen, opto-elektronischen Abtasteinheit, die sich an
einem ersten Bauteil und einem hierzu beweglichen zweiten
Bauteil befinden, sowie Sensoren an den Bauteilen, die die
Referenzlage und die beiden maximal zulässigen Extremlagen
der beiden Bauteile zueinander registrieren,
dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei den Sensoren um optoelektronisch abgetastete,
jeweils eindeutige Kennzeichnungen oder Wechsel von
Kennzeichnungen auf dem Maßstab (6) handelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Inkremente (15, 16) für die Wegmessung einerseits und
die Signale für die Referenzlage (25) und die beiden
Extremlagen (26, 27) andererseits auf unterschiedlichen
Spuren (1, 2) des Maßstabes (6) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
jede Spur (1, 2) mit einer separaten Abtasteinheit (8)
gelesen wird, wobei sich die Abtasteinheiten an einem
gemeinsamen Abtastschlitten (4) befinden.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Maßstab (6) am feststehenden Bauteil und der
Abtastschlitten (4) am beweglichen Bauteil befindet.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das auf dem Maßstab (6) angeordnete optische Signal für die
Referenzlage eine eindeutige, punktuelle Markierung
darstellt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Bereiche (B, C) innerhalb der Extremlagen (26,
27), die auf verschiedenen Seiten der Referenzlage (25)
liegen, sowie die beiden Bereiche (A, D) außerhalb der
jeweiligen Extremlagen auf dem Maßstab (6) durch vier
unterschiedliche Markierungen dargestellt sind, so daß auch
bei stillstehendem Abtastschlitten (4) jederzeit zu
erkennen ist, in welchem der Bereiche (A, B, C, D) sich der
Abtastschlitten (4) befindet.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Maßstab (6) in einem gekapselten Gehäuse (7) mit
einem in Bewegungsrichtung verlaufenden, abgedichteten
Schlitz (14) befindet, durch den ein Ausleger (10) des
Abtastschlittens (4) in das Gehäuse (7) hineinragt, und daß
das Innere des Gehäuses (7) mit Überdruck belüftet ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei dem Maßstab (6) um einen linearen Maßstab
handelt.
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