DE4200597A1

DE4200597A1 - Arrangement for measuring and adjusting lengths with scale tape measurement system - contains flexible scale tape joined at ends, tensioned and guided by rotatable elements, scale marker sensing unit

Info

Publication number: DE4200597A1
Application number: DE4200597A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Freitag
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1992-01-13
Filing date: 1992-01-13
Publication date: 1993-07-15
Also published as: ITTO930008A1; ATA255992A; ITTO930008A0; AT400084B; IT1261033B

Abstract

The arrangement contains a flexible scale carrying tape (3) joined at its ends, with scale markings, guided over deflection elements (7,8) and tensioned. The tape is connected to one machine element via a drive dog. A sensing unit connected to a fixed machine unit senses the scale markings and is electrically connected to an evaluation unit. The deflection elements are rotatably mounted on a base part (11) connected to the fixed machine part and apply the tensioning forces. The base part is mounted in a protective housing (17), fixed at one point and movably wrt. another in the longitudinal scale direction. USE/ADVANTAGE - For measuring and setting lengths between machine parts, eg in work-tool machines, coordinate measuring machines etc.. The simple, compact, well sealed arrangement can be mounted on a machine without recalibration.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen und Ein stellen von Längen mit einem, einen bandförmigen Teilungs träger umfassenden Wegmeßsystem, vor allem für Werkzeugma schinen, Koordinatenmeßgeräte und in der Automatisierungs technik.The invention relates to a device for measuring and a represent lengths with one, a band-shaped division comprehensive measuring system, especially for tool m machines, coordinate measuring machines and in automation technology.

Vor allem im Werkzeugmaschinen- und Präzisionsgerätebau und bei Koordinatenmeßgeräten sind hauptsächlich zwei Einsatz arten translatorischer Meßsysteme mit materieller Maßver körperung bekannt. Bei der ersten Art ist die Maßverkörpe rung stationär angeordnet und die Abtasteinheit wird relativ zu dieser bewegt. Vorteilhaft bei dieser Art ist, daß durch eine relativ kurze bewegte Abtasteinheit die Gesamtbaulänge nur geringfügig größer sein muß als die Meßlänge. Nach teilig ist jedoch, daß mit der Bewegung der Abtasteinheit auch die für diese notwendigen Anschlußleitungen über die gesamte Meßlänge mitbewegt werden müssen. Dieses erfordert zum einen wegen großer Kabellängen und wegen der relativ hohen Steifigkeit dieser abgeschirmten und geschützten Kabel höhere Antriebskräfte und zum anderen einen zusätzlichen Einbauraum für den Kabeltransport über den gesamten Bewe gungsbereich der Abtasteinheit. Durch die ständigen Bewegun gen der Anschlußkabel und die dadurch auftretenden Belastun gen bildet dieser Kabelanschuß eine kritische Schwachstel le, wo jedoch besonders in modernen Fertigungssystemen und bei komplexen Meßgeräten eine hohe Funktionssicherheit und Verfügbarkeit gefordert wird.Especially in machine tool and precision device construction and There are two main uses for coordinate measuring machines types of translational measuring systems with material dimensions body known. The first type is the measuring scale tion is stationary and the scanning unit becomes relative moved to this. The advantage of this type is that a relatively short moving scanning unit the overall length only has to be slightly larger than the measuring length. After However, it is in part that with the movement of the scanning unit also the connection lines required for this via the entire measuring length must be moved. This requires on the one hand because of the large cable lengths and because of the relative high rigidity of these shielded and protected cables higher driving forces and an additional one Installation space for cable transport over the entire Bewe range of the scanning unit. Through the constant movement conditions of the connecting cables and the resulting loads This cable connection is a critical weak point le, where, however, especially in modern manufacturing systems and complex measuring devices high functional reliability and Availability is required.

Bei der zweiten Einsatzart ist die Abtasteinheit eines Weg meßsystems stationär angeordnet, und die Maßverkörperung wird relativ dazu bewegt. Damit werden zwar die Nachteile der ersten Einsatzart beseitigt, jedoch besteht der Nachteil, daß durch die bewegte Maßverkörperung die Gesamtbaulänge der Maschine mindestens doppelt so groß sein muß wie die Meßlänge. So beschränkt sich diese Einsatzart nur auf kürzere Meßlängen.In the second type of use, the scanning unit is one way measuring system arranged stationary, and the material measure is moved relative to it. Thus, the disadvantages of first use, but there is the disadvantage that the total length due to the moving measuring standard the machine must be at least twice as large as that Measuring length. So this type of application is limited to shorter measuring lengths.

Diese bekannten Längenmeßsysteme haben den Nachteil, daß sie unzureichend gegen Schmutz, Kühlflüssigkeit und andere, für die Maßverkörperung schädliche Stoffe geschützt sind. Ein wirksamer Schutz ist oft nur durch hohen Aufwand zu realisieren.These known length measuring systems have the disadvantage that they are insufficient against dirt, coolant and others, Protect harmful substances for the material measure are. Effective protection is often only possible with great effort realize.

Beispiele hierfür sind in den Druckschriften DE-OS 34 00 395, DE-OS 34 10 944, DE-OS 36 23 353, DE-OS 38 40 791 und DE-OS 38 41 721 beschrieben. Ursache hierfür ist, daß der in der Regel schwertartige Mitnehmer, durch den der Abtastkopf mit dem beweglichen Teil der Maschine, z. B. einem Schlitten, verbunden ist, relativ dick ist, da er gleichzei tig auch die Anschlußkabel oder -leitungen aufnimmt und die elastischen Dichtelemente infolge der größeren Aufspreizung am Mitnehmer nicht immer eng genug anliegen.Examples of this are in the publications DE-OS 34 00 395, DE-OS 34 10 944, DE-OS 36 23 353, DE-OS 38 40 791 and DE-OS 38 41 721. The reason for this is that the usually sword-like driver, through which the Readhead with the moving part of the machine, e.g. B. one Sled, is connected, is relatively thick since it is at the same time tig also takes the connecting cables or lines and the elastic sealing elements due to the larger spread not always close enough to the driver.

Bezüglich der Führung der Abtasteinheit relativ zur Maß verkörperung gibt es ebenfalls zwei Gruppen.Regarding the guidance of the scanning unit relative to the dimension Embodiment also has two groups.

Bei der einen Gruppe wird die Abtasteinheit des Wegmeßsy stems fremdgeführt, und sie ist starr an das bewegliche Teil der Maschine oder des Meßgerätes angekoppelt. Diese Lösung stellt jedoch hohe Anforderungen an die Fremdführung und an die Ausrichtung der Maßverkörperung zur Bewegungsrichtung des beweglichen Teils. Die starre Ankopplung des Abtastkopfes ist mit einfachen Mitteln zu verwirklichen, jedoch erfüllen die meisten Führungen in den Werkzeugmaschinen nicht die geforderten hohen Ablauftoleranzen. Aus diesen Gründen wird bei der zweiten Gruppe die Abtasteinheit durch eine meßsy stemeigene Führung zur Maßverkörperung geführt und durch eine spezielle Art der Ankopplung, welche Ablaufdifferenzen zwischen den Führungen ausgleicht, mit dem bewegten Teil verbunden. Sowohl die Realisierung der meßsystemeigenen Führung als auch die spezielle Ankopplung der Abtasteinheit erhöhen die Anforderungen bei der Herstellung der Meßsy steme.In one group, the scanning unit of the measuring system stems externally guided, and it is rigid to the moving part coupled to the machine or the measuring device. This solution however, places high demands on external management and the alignment of the material measure to the direction of movement of the moving part. The rigid coupling of the scanning head can be achieved with simple means, but fulfilled most of the guides in the machine tools are not that required high run-off tolerances. For these reasons in the second group, the scanning unit by a measuring system guided by the master to the material measure and through a special type of coupling, which process differences balances between the guides with the moving part connected. Both the realization of the measuring system's own Guidance as well as the special coupling of the scanning unit increase the requirements for the production of the measuring system steme.

Es ist eine Einrichtung zum Messen und Einstellen von Längen zwischen einem ersten und einem zu diesem verschiebbaren zweiten Maschinenelement vorgeschlagen worden, welche die Nachteile der genannten Lösungen beseitigt, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen flexiblen Teilungsträger mit Teilungsmarken und eine Abtasteinheit zum Abtasten der Teilungsmarken umfaßt, wobei der Teilungsträger als ein geschlossenes Band über zwei, mit dem ersten Maschinenele ment verbundenen Umlenkrollen gespannt ist. Dieser Teilungs träger ist mit einem einfach ausgebildeten Mitnehmer mit dem zweiten Maschinenelement verbunden und kann zwischen den Umlenkrollen bewegt werden. Durch eine mit dem ersten Maschi nenelement stationär auf der Maschine angeordnete Abtast einheit werden die Teilungsmarken des Teilungsträgers abge tastet und die gewonnenen Abtastsignale einer Auswerteeinheit zugeführt.It is a device for measuring and setting lengths between a first and a slidable to this second machine element has been proposed, which the The disadvantages of the solutions mentioned are eliminated, and that as a result is characterized in that it is a flexible division carrier with division marks and a scanning unit for scanning the Includes division marks, the division carrier as one closed band over two, with the first machine element ment connected pulleys is tensioned. This division carrier is with a simply trained driver with the connected second machine element and can between the Deflection rollers are moved. By one with the first machine nenelement stationary scanning on the machine unit, the division marks of the division carrier are issued gropes and the obtained scanning signals of an evaluation unit fed.

Ein Nachteil dieser Einrichtung besteht darin, daß die Um lenkrollen direkt mit einem Maschinenelement starr verbunden sind und sich so zum einen eine komplizierte konstruktive Ausgestaltung als leicht montierbare Einheit in einem Schutz gehäuse ergibt und zum anderen eine Kalibrierung der Maß verkörperung nach dem Aufbau der Umlenkrollen an dem einen Maschinenelement erforderlich wird. Für die Durchführung dieser Kalibrierung ist ein externes Meßgerät erforderlich, oder es muß ein Kalibrierverfahren angewendet werden, wie es in einer anderen Patentanmeldung vorgeschlagen wurde. Ein hoher Zeitaufwand für eine solche Kalibrierung ist erfor derlich.A disadvantage of this device is that the order Steering castors rigidly connected directly to a machine element are and on the one hand a complicated constructive Design as an easily assembled unit in a protection results in a housing and secondly a calibration of the dimensions embodiment after the construction of the pulleys on one Machine element is required. For the implementation This calibration requires an external measuring device or a calibration procedure such as that must be used was proposed in another patent application. A a lot of time is required for such a calibration such.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen und Einstellen von Längen mit einem einen band förmigen Teilungsträger umfassenden Wegmeßsystem zu schaf fen, die einfach aufgebaut ist, eine kompakte und gut ab dichtbare Bauweise zuläßt, und welche ohne nachträgliche Kalibrierung einfach an der Maschine oder an einem Meßgerät montierbar ist.The invention has for its object a device for measuring and setting lengths with a tape to form a comprehensive measuring system fen, which is simple, a compact and good sealable construction allows, and which without subsequent Calibration simply on the machine or on a measuring device is mountable.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt. According to the invention the task with the features of Claim 1 solved. There are more in the subclaims Embodiments of the invention set out.

Die für die Umlenkung des flexiblen Teilungsträgers notwen digen Umlenkelemente sind an einem in Längsrichtung steifen Basiskörper angeordnet, welcher in einem Schutzgehäuse an einem Fixpunkt befestigt ist, und der so im Schutzgehäuse angeordnet ist, daß er sich von diesem Fixpunkt aus um durch die thermische Dehnung bestimmte Beträge in Meßrichtung zwangsfrei bewegen kann. Dieser Basiskörper kann direkt in einer Führungsnut oder über spezielle Halteelemente, welche in Längsrichtung elastisch sind, im Schutzgehäuse angeord net sein.The necessary for the deflection of the flexible graduation carrier The deflection elements are rigid in the longitudinal direction Base body arranged, which in a protective housing a fixed point is attached, and so in the protective housing is arranged that from this fixed point around the thermal expansion determines certain amounts in the measuring direction can move freely. This base body can be directly in a guide groove or via special holding elements, which are elastic in the longitudinal direction, arranged in the protective housing be nice.

Es ist vorteilhaft, daß durch die Verwendung des in seiner Länge verstellbaren Basisteils die Vorspannung des in sich geschlossenen Teilungsträgers auf einfache Weise und der lineare Teilungsfehler, bezogen auf einfache Bezugstemperatur minimiert bzw. optimal eingestellt werden können. Nach einer einmaligen Kalibrierung des Teilungsträgers durch eine richtige Längeneinstellung des Basisteiles durch Verstellung bzw. Justierung der beiden Basiselemente zueinander werden das metrologische Verhalten richtige und die Maßstabilität der erfindungsgemäßen Einrichtung durch das Basisteil be stimmt, und die temperaturbedingten Längenänderungen werden durch den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten des Basisteils bestimmt. Da der dünne flexible, unter Vorspan nung stehende Teilungsträger mechanisch sehr weich gegenü ber dem Basisteil ist, wird dem Teilungsträger immer die Temperaturdehnung des Basisteils aufgezwungen. Temperaturdif ferenzen zwischen dem Basisteil und dem Teilungsträger füh ren also nicht zu Längenänderungen gegenüber dem Basis teil, sondern nur zu inneren Spannungsänderungen im Teilungsträger.It is advantageous that by using the in its Length adjustable base part the preload of the in itself closed division carrier in a simple manner and linear division errors, based on simple reference temperature can be minimized or optimally set. After a one-time calibration of the graduation carrier by a correct length adjustment of the base part by adjustment or adjustment of the two basic elements to each other correct metrological behavior and dimensional stability the device according to the invention by the base part be true, and the temperature-related changes in length by the thermal coefficient of linear expansion of the Base part determined. Because the thin flexible, under preload graduation carrier mechanically very soft against is above the base part, the division carrier is always the Thermal expansion of the base part forced. Temperature diff conferences between the base part and the division carrier so do not change the length of the base part, but only to internal tension changes in the Division carrier.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigtThe invention is based on an exemplary embodiment are explained in more detail. In the drawing shows

Fig. 1 die schematisch dargestellte Einrichtung in Form eines Wegmeßsystems, Fig. 1 shows the device schematically illustrated in the form of a position measuring system,

Fig. 2 im Schnitt die Aufnahme des Basisteils im Schutzgehäu se und Fig. 2 in section the inclusion of the base part in Schutzgehäu se and

Fig. 3 eine Draufsicht der Einrichtung ohne Schutzgehäuse. Fig. 3 is a plan view of the device without a protective housing.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung, ein Wegmeßsystem, zum Messen und Einstellen von Längen zwischen einem festen ersten Maschinenteil 1 und einem zu diesem relativ bewegbaren zweiten Maschinenteil 2 umfaßt einen aus einem dünnen Stahlband bestehenden, flexiblen und elastischen Teilungs träger 3 mit Teilungsmarken 4 und eine Abtasteinheit 5, welche stationär mit dem ersten Maschinenteil 1 verbunden ist, mit welcher die Teilungsmarken 4 abgetastet werden und welche mit einer Auswerteeinheit elektrisch verbunden ist. Der Teilungsträger 3 ist an seinen Enden, vorzugsweise im Bereich eines an ihm befestigten Mitnehmers 6, zu einem geschlossenen Band zusammengefügt und über zwei als Umlenk rollen ausgebildete Umlenkelemente 7 und 8 und ge spannt. Der Mitnehmer 6 ist ferner fest am zweiten Maschinen teil 2 angeordnet.The device shown in Fig. 1, a measuring system for measuring and adjusting lengths between a fixed first machine part 1 and a relatively movable to this second machine part 2 comprises a thin steel band, flexible and elastic graduation carrier 3 with division marks 4 and a scanning unit 5 , which is stationary connected to the first machine part 1 , with which the division marks 4 are scanned and which is electrically connected to an evaluation unit. The graduation carrier 3 is joined at its ends, preferably in the area of a carrier 6 attached to it, to form a closed band and roll over two deflection elements 7 and 8, which are designed as deflectors, and are tensioned. The driver 6 is also fixed to the second machine part 2 .

Es ist ferner ein aus zwei Basiselementen 9 und 10 bestehen des Basisteils 11 vorgesehen, welches am festen, ersten Ma schinenteil 1 befestigt ist und dessen Basiselemente 9 und 10 zueinander in Richtung der Längserstreckung des Teilungs trägers 3 verstellbar sind. Am Basiselement 9 sind auf einer Achse 12 das Umlenkelement 7 und am Basiselement 10 auf einer Achse 13 das Umlenkelement 8 drehbar gelagert. Das Basisteil 11 selbst ist an einem Fixpunkt 16 am ersten Maschinenteil 1 durch Schrauben 25 fest und an mindestens einem anderen Fixpunkt in Richtung der Längserstreckung des Teilungsträ gers 3 beweglich am ersten Maschinenteil 1 befestigt und von einem an der Maschine oder dem Meßgerät vorgesehenen Schutzgehäuse 17 umgeben. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das gesamte Basisteil 11 einen thermischen Ausdehnungskoeffizien ten besitzt, der dem des ersten und/oder dem zweiten Maschi nenteils entspricht. Der in sich geschlossene Teilungsträ ger 3 ist durch die Einstellung des Abstandes der Umlenkele mente 7 und 8 so vorgespannt, daß, bezogen auf eine Bezugs temperatur, die Teilungsmarken 4 den kleinsten Teilungsfehler aufweisen. Durch Schrauben 14 und 15 werden nach der Einstel lung die beiden Basiselemente 9 und 10 zueinander fixiert.There is also a two base elements 9 and 10 of the base part 11 is provided, which is attached to the fixed, first machine part 1 and the base elements 9 and 10 of which are mutually adjustable in the direction of the longitudinal extent of the division carrier 3 . The deflection element 7 is rotatably mounted on the base element 9 on an axis 12 and the deflection element 8 on the base element 10 on an axis 13 . The base part 11 itself is fixed at a fixed point 16 on the first machine part 1 by screws 25 and at least one other fixed point in the direction of the longitudinal extent of the division carrier 3 movably attached to the first machine part 1 and surrounded by a protective housing 17 provided on the machine or the measuring device . It is advantageous if the entire base part 11 has a thermal expansion coefficient which corresponds to that of the first and / or the second machine part. The self-contained Teilungsträ ger 3 is biased by the adjustment of the distance of the Umlenkele elements 7 and 8 so that, based on a reference temperature, the division marks 4 have the smallest pitch error. Screws 14 and 15 fix the two base elements 9 and 10 to each other after adjustment.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich die Abtasteinheit 5 ebenfalls im Schutzgehäuse 17 und ist vorteilhaft in der Nähe eines der Umlenkelemente 7 oder 8 fest mit dem Basis element 9 oder 10 verbunden und somit stationär am festen Maschinenteil 1 angeordnet. Zur Begrenzuung des Durchhanges des Teilungsträgers 3 und zur Verbesserung seines Schwin gungsverhaltens können stabilisierende Elemente 18 am ersten oder zweiten Maschinenteil 1 oder 2 vorgesehen sein. Gemäß Fig. 1 sind sie am ersten Maschinenteil 1 angebracht.1 as can be seen from Fig. , The scanning unit 5 is also in the protective housing 17 and is advantageously in the vicinity of one of the deflection elements 7 or 8 fixed to the base element 9 or 10 and thus arranged stationary on the fixed machine part 1 . In order to limit the sag of the graduation carrier 3 and to improve its vibration behavior, stabilizing elements 18 can be provided on the first or second machine part 1 or 2 . According to Fig. 1, they are attached to the first machine part 1.

Die Lage des Basisteils 11 im Schutzgehäuse 17 ist in Fig. 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das vorteilhaft als Strangpreßprofil ausgebildete Schutzgehäuse 17 besitzt in seinen beiden Seitenteilen 19 und 20 jeweils eine eingearbei tete Führungsnut 21 und 22, in denen das Basisteil 11 mit seinen Führungsflächen 23 und 24 längsverschieblich ruht.The position of the base part 11 in the protective housing 17 is shown in a sectional view in FIG. 2. The protective housing 17 , which is advantageously designed as an extruded profile, has in its two side parts 19 and 20 in each case an incorporated guide groove 21 and 22 , in which the base part 11 rests with its guide surfaces 23 and 24 in a longitudinally displaceable manner.

In Fig. 3 ist das Basisteil 11 mit dem daran gelagerten Umlenkelement 7 und dem darüber geführten Teilungsträger 3 in einer Draufsicht dargestellt.In FIG. 3, the base part 11 with the deflection element 7 mounted thereon and the graduation carrier 3 guided above it is shown in a plan view.

BezugszeichenzusammenstellungCompilation of reference symbols

1 erstes Maschinenteil
2 zweites Maschinenteil
3 Teilungsträger
4 Teilungssmarken
5 Abtasteinheit
6 Mitnehmer
7 Umlenkelement
8 Umlenkelement
9 Basiselement
10 Basiselement
11 Basisteil
12 Achse
13 Achse
14 Schraube
15 Schraube
16 Fixpunkt
17 Schutzgehäuse
18 stabilisierendes Element
19 Seitenteil
20 Seitenteil
21 Führungsnut
22 Führungsnut
23 Führungsfläche
24 Schraube 1 first machine part
2 second machine part
3 division carriers
4 division marks
5 scanning unit
6 drivers
7 deflection element
8 deflection element
9 basic element
10 base element
11 base part
12 axis
13 axis
14 screw
15 screw
16 fixed point
17 protective housing
18 stabilizing element
19 side panel
20 side part
21 guide groove
22 guide groove
23 guide surface
24 screw

Claims

1. Device for measuring and setting lengths between a fixed first machine part of a machine or a measuring device and a second machine part that can be moved relatively to the first machine part,
comprising a flexible graduation carrier with graduation marks, which is designed as a band connected at its ends and is guided and tensioned via two deflection elements and is connected to the second machine part by a driver,
and a scanning unit which is stationary connected to the first machine part and with which the graduation marks of the graduation carrier can be scanned, the scanning unit being electrically connected to an evaluation unit,
characterized,
that one of the base elements (9; 10) composite base is in part provided (11) which is arranged on the fixed first Maschi nenteil (1), wherein the base part (11) the deflecting elements (7; 8) on fixed axes (12; 13 ) are rotatably mounted and are absorbed by the clamping forces for the parting beam ( 3 )
that the base part ( 11 ) is arranged in a protective housing ( 17 ) attached to the machine or the measuring device,
and that the base part ( 11 ) in this protective housing ( 17 ) at a fixed point ( 16 ) fixed and at least one other fixed point in the direction of the longitudinal extension of the Teilungsträ gers ( 3 ) is arranged movably.

2. Device according to claim 1, characterized in that the deflecting elements ( 7; 8 ) are deflecting rollers.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the base part ( 11 ) consists of a plurality of mutually adjustable base elements ( 9; 10 ), the length of the base part ( 11 ) being adjustable.

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the base part ( 11 ) has a thermal expansion coefficient which corresponds to that of the first and / or second machine part ( 1; 2 ).

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that the scanning unit ( 5 ) on the base part ( 11 ) is attached.

6. Device according to claim 1 to 5, characterized in that on the example ( 11 ) a sag and a vibration limiting stabilizing elements ( 18 ) for the tensioned graduation carrier ( 3 ) are provided.

7. Device according to claim 1 to 6, characterized in that the protective housing ( 17 ) is designed as an extruded profile with guide grooves ( 21; 22 ) for receiving the base part ( 11 ).