DE4312255A1 - Koordinatentisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Koordiantentisch gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Koordinatentische werden zum Beispiel in Meß­ maschinen dazu verwendet, ein auszumessendes Werkstück unter einem Meßkopf zu verfahren und so das Oberflächen­ profil des Werkstückes zeilenweise abzutasten.

Mit modernen Oberflächenmeßgeräten werden sehr feine Ober­ flächenprofile ausgemessen, und bei derart hochgenauen Messungen im Bereich von wenigen µm oder Bruchteilen davon, sind auch bei klassischen Meßaufgaben noch hinnehmbare Ungenauigkeiten in der Werkstückführung nicht mehr tole­ rierbar.

So muß zum Beispiel für Rundheitsmessungen von Glasfaser­ steckern die Abweichung des Rundlaufes des Drehtisches, der den Glasfaserstecker zum Ausmessen trägt, von der idealen Kreisform im Bereich von hundertsteln Mikrometern liegen.

Beim Ausmessen der feinen Oberflächen von 8-Zoll-Wafern braucht man über einen langen Verstellweg Schlitten-Füh­ rungsflächen mit einer Ebenheit, die weit besser ist als die polierter Werkstückoberflächen.

Derart hochgenaue Koordinatentische sind schwierig herzu­ stellen und extrem teuer, denn man muß bei Führungs­ schienen oder Auflageflächen für hochgenaue Führungsge­ nauigkeit sorgen und auch Kugeln und Rollen in Lagern verwenden, die eine sehr geringe Restunrundheit gewährlei­ sten. Schließlich müssen Führungsspindeln hochgenau bearbeitet werden, und es muß auch dafür gesorgt werden, daß der Tisch über lange Zeit hinweg verspannungsfrei ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Koordinatentisch gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaffen werden, der bei geringen Kosten eine hohe Genauigkeit der Werk­ stückpositionierung in zur Bewegungsfläche senkrechter Richtung gewährleistet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Ko­ ordinatentisch gemäß Anspruch 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unter­ ansprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische seitliche Ansicht eines x-y-Koordinatentisches als Teil einer Ober­ flächenmeßmaschine;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Servoregelung für in z-Richtung wirkende Justier-Aktuatoren des Koordinatentisches von Fig. 1;

Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, in welcher ein abgewandelter Koordinatentisch wiederge­ geben ist;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Servoregelung für den Koordinatentisch nach Fig. 3; und

Fig. 5 einen in z-Richtung arbeitenden Stellungsge­ ber zur Verwendung in einem Koordinatentisch nach Fig. 1 oder 3.

In Fig. 1 ist eine Meßmaschine zum hochgenauen Ausmes­ sen der Oberfläche eines Werkstückes 10 wiedergegeben, welche einen insgesamt mit 12 bezeichneten Koordinaten­ tisch und einen Meßkopf 14 aufweist, der über einen hö­ henverstellbaren Ausleger 16 und eine vertikale Stange 18 an einer y-Basisplatte 20 des Koordinatentisches befe­ stigt ist.

Die y-Basisplatte 20 trägt über vier elektrische Ak­ tuatoren 22-1 bis 22-4 eine y-Führungsplatte 24. Von dieser stehen Befestigungsblöcke 26 nach oben, welche jeweils eines der Enden einer y-Führungsstange 28 aufneh­ men. Auf dem in Fig. 1 links gelegenen Bereich der y- Führungsplatte 24 sind Lagerblöcke 30 vorgesehen, welche jeweils eines der beiden Enden einer y-Gewindespindel 32 lagern. Diese wird von einem y-Gleichstrommotor 34 ange­ trieben.

Auf der y-Führungsstange 28 laufen y-Gleitlager 36, die fest mit der Unterseite einer x-Basisplatte 38 ver­ bunden ist. Auf der y-Gewindespindel 32 läuft ferner eine y-Spindelmutter 40, die ebenfalls fest mit der Unterseite der x-Basisplatte 38 verbunden ist.

Die Teile 28 bis 40 bilden zusammen einen y-Koordinaten­ antrieb 42, durch welchen die x-Basisplatte 38 in zur Zeichenebene senkrechter Richtung, der y-Richtung beweg­ bar ist. Die Stellung der x-Basisplatte 38 in y-Richtung mißt ein gestreckter zur Zeichenebene senkrecht ausgerich­ teter y-Stellungsmesser 44, der zum Beispiel ein Poten­ tiometer sein kann, dessen Abgriff durch eine Fahne 46 betätigt wird, die mit der x-Basisplatte 38 verbunden ist. Der y-Stellungsmesser 44 ist über eine Leiste 48 mit der y-Führungsplatte 24 verbunden.

Sind die y-Führungsstange 28 und die y-Gewindespindel 32 nicht auf exakten Rundlauf gearbeitet, so führt ein Ver­ stellen der x-Basisplatte 38 in y-Richtung zu sehr klei­ nen Lageänderungen der x-Basisplatte 38 in z-Richtung. Diese kleinen z-Lageänderungen werden durch einen Stel­ lungsgeber 50 gemessen, dessen unteres Ende an der y-Basis­ platte 20 befestigt ist und der sich durch eine Öffnung 52 der y-Führungsplatte 24 hindurch erstreckt. Sein be­ wegliches Meßteil 54 arbeitet mit einer schmalen y-Refe­ renzfläche 56 zusammen, die auf der Unterseite der x- Basisplatte 38 vorgesehen ist. Das Ausgangssignal des Stellungsgebers 50 wird in nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 noch genauer zu beschreibender Weise bei der Erzeugung der Speisespannung für die Aktuatoren 22-1 bis 22-4 verwendet, um die jeweils angefundenen z-Lageschwan­ kungen der x-Basisplatte 38 durch entgegengesetzte Län­ genänderung der Aktuatoren 22-1 bis 22-4 zu kompensieren.

Auf dem y-Koordinatenantrieb 42 sitzt ein insgesamt mit 58 bezeichneter x-Koordinatenantrieb, der ähnlichen Auf­ bau aufweist wie der y-Koordinatenantrieb, wobei jedoch die Führungsrichtung die x-Richtung ist.

Auf der x-Basisplatte 38 sitzen vier elektrische Aktuatoren 60-1 bis 60-4, die eine x-Führungsplatte 62 tragen. Von deren Oberseite stehen Befestigungsblöcke 64 nach oben, welche die beiden Enden einer x-Führungsstange 66 haltern. Auf der Oberseite der x-Führungsplatte 62 vorgesehene Lagerblöcke 68 lagern die beiden Enden einer x-Gewinde­ spindel -0. Diese wird durch einen x-Gleichstrommotor 72 angetrieben.

Auf der x-Führungstange 66 laufen x-Gleitlager 74, die an der Unterseite eines Tischelementes 76 angebracht sind. Die x-Gewindespindel 70 arbeitet mit einer x-Spindelmut­ ter 78 zusammen, die ebenfalls mit der Unterseite des Tischelementes 76 verbunden ist.

Die Stellung des Tischelementes 76 in x-Richtung wird durch einen x-Stellungsmesser 80 ermittelt. Lageände­ rungen des Tischelementes 76 in z-Richtung, welche durch Fehler in der x-Führung bedingt sind, werden durch einen Stellungsgeber 82 gemessen, der auf der x-Basisplatte 38 angeordnet ist und sich durch eine Öffnung 84 in der x-Führungsplatte 62 frei hindurch erstreckt. Sein beweg­ liches Meßteil 86 arbeitet mit einer x-Referenzfläche 88 zusammen, die auf der Unterseite des Tischelementes 76 in x-Richtung verlaufend vorgesehen ist.

Das Ausgangssignal des Stellungsgebers 82 wird wieder so zum Erzeugen der Speisespannung für x-Aktuatoren 60-1 bis 60-4 verwendet, daß diese die führungsbedingten z- Lageänderungen des unter dem Meßkopf 14 liegenden Meß­ punktes jeweils durch entgegengesetzte Längenänderungen kompensieren.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der Servoregelung für die Aktu­ atoren 22-1 bis 22-4. Die getrennte Servoregelung für die Aktuatoren 66-1 bis 60-4 ist analog ausgebildet, wie durch in Klammern gesetzte Bezugszeichen angedeutet.

Das Ausgangssignal des Stellungsgebers 50 wird als Ist- Wert auf den einen Eingang eines Vergleichers 90 gegeben. Das Ausgangssignal Y-Stellungsmessers 44 wird zur Adres­ sierung eines Korrekturspeichers 92 verwendet. In diesem ist für jede y-Koordinate die zugehörige Abweichung des zugeordneten Punktes des y-Referenzfläche 56 von einer ide­ alen Bezugsfläche abgespeichert. Das entsprechende Refe­ renzflächenkorrektursignal wird auf den zweiten Eingang des Vergleichers 90 gegeben. Bei hochgenauer Bearbeitung der y-Referenzfläche 56 kann der zweite Eingang des Ver­ gleichers 90 auch mit einem festen Sollwertsignal beauf­ schlagt werden.

Das am Ausgang des Vergleichers 90 erhaltene Fehlersignal dient zur Ansteuerung einer Speisespannungsquelle 94 für die Akuatoren 22-1 bis 22-4.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erhält man in den Führungseinrichtungen für die x- bzw. y-Rich­ tung jeweils für sich eine Kompensation von durch Unge­ nauigkeiten der Führung bedingten z-Lageänderungen des beweglichen Führungsteiles.

In Abwandlung dieses Ausführungsbeispieles kann man auch nur einen einzigen Aktuatorsatz für die z-Kompensation verwenden, der dann in Abhängigkeit von den Ausgangssi­ gnalen sowohl des Stellungsgebers 50 als auch des Stel­ lungsgebers 82 arbeitet. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 wiedergegeben. Teile des Koordinaten­ tisches, die oben stehend schon beschrieben wurden, sind wieder mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei dem Koordinatentisch nach Fig. 3 sind die Aktuatoren 22 und die y-Basisplatte 10 weggefallen. Die y-Führungs­ platte 24 trägt direkt die Stange 18 und auch den Stel­ lungsgeber 50.

Die Regelung der verbleibenden Aktuatoren 60-i erfolgt nun gemäß Fig. 4 so, daß man mit den Ausgangssignalen der Stellungsmesser 44 und 80 zwei Korrekturspeicher 92-y bzw. 92-x adressiert. Die an deren Ausgängen erhaltenen Refe­ renzflächen-Korrektursignale werden in einem Summierkreis 96 zusammengefaßt und dessen Ausgangssignal wird auf den Sollwerteingang des Vergleichers 90 gegeben.

Dessen Istwerteingang erhält von einem Summierkreis 98 die Summe der Ausgangssignale der Stellungsgeber 50 und 82. Das Ausgangssignal des Stellungsgebers 82 entspricht zu­ gleich der momentanen Längung oder Verkürzung der Aktua­ toren 60-i.

Im Normalfall wird die Nachstellung der Aktuatoren 60-i über eine PID-Regelung realisiert.

Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen hat man somit eine feine Kompensation kleiner führungsbeding­ ter z-Lageänderungen des Tischelementes 76, wobei durch die gewählte Regelung auch gewährleistet ist, daß Hyste­ reseeffekte der Piezo-Festkörper- oder magnetostriktiven Aktuatoren ohne Einfluß auf die Lage des Tischelementes 76 in z-Richtung bleiben.

Mit dem oben beschriebenen Prinzip kann man nicht nur Koordinatentische realisieren, bei welchen ein Meßpunkt exakt in einer vorgegebenen z-Ebene verfahren wird, man kann mit dem gleichen Prinzip auch Drehtische realisieren, bei denen Abweichungen im Rundlauf des Drehlagers kompen­ siert werden. Diese Kompensation kann nur in einer Rich­ tung erfolgen, wenn man nur an einer Umfangsstelle mißt, oder auch in zwei Richtungen x, y oder z₁, z₂, so daß man einen exakten, schlag- oder torkelfreien Rundlauf erhält.

In weiterer Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungs­ beispiele kann man auch die Anzahl der Aktuatoren, die in der Praxis an beiden Enden mit den benachbarten Bauele­ menten verschraubt sind, verkleinern (zum Beispiel drei Aktuatoren für Dreipunktlagerung oder nur ein Aktuator bei kleines Gewicht aufweisenden Führungsplatten oder diesen entsprechenden nachzujustierenden Teilen) oder auch vergrößern, je nach dem, wie dies im Hinblick auf die Größe und Geometrie der von den Aktuatoren getragenen Teile notwendig ist.

Die Stellungsgeber 50 und 82 kann man auch dazu verwenden, die Stellungsmesser-Ausgangssignale zu eichen, indem man z. B. die Stellungsmesser-Ausgangssignale, die vorliegen, wenn die Steilungsgeber das Ende der Referenzfläche erreichen oder eine Referenzmarke in der zugehörigen Referenzfläche überfahren, als Nullpunkts- oder Kalibrier­ signale übernimmt.

Die Referenzflächen brauchen keine körperlichen Flächen zu sein: Gemäß Fig. 5 wird die x-Referenzfläche durch einen Laserstrahl 100 vorgegeben, der von einem Halbleiter­ laser 102 abgegeben wird, der am Tischelement 76 angebracht ist. Der Stellungsgeber 82 umfaßt ein Prisma 102 mit unter kleinem Winkel zur Laserachse angestellter verspie­ gelter Stirnfläche. Der reflektierte Laserstrahl trifft auf einen Wandler 104, der ein vom Strahlauftreffpunkt abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Dieses wird mit einem Formkreis 106 in ein der z-Lageänderung des Tischelementes 76 linear zugeordnetes Signal umgesetzt.

Claims (7)

1. Koordinatentisch mit einem Tischelement (76), auf welchem ein Werkstück (10) anordenbar ist, mit einer Führungseinrichtung (58) zum Führen des Tischelementes (76) in einer vorgegebenen Koordinatenrichtung, welche ein in der vorgegebenen Koordinatenrichtung feststehendes Führungsteil (62-70) und ein mit dem Tischelement (76) verbundenes bewegliches Führungsteil (74, 78) aufweist, mit einem Antrieb (72) zum Bewegen des Tischelementes (76) in der vorgegebenen Koordinatenrichtung und mit einer Ein­ richtung zum Verstellen des Tischelementes (76) in einer zu seiner Bewegungsfläche senkrechten Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Tischelement (76) bzw. das fest­ stehende Führungsteil (62-70) mit einer parallel zu vor­ gegebenen Koordinatenrichtung (x) verlaufenden Referenz­ fläche (88) versehen ist; daß das feststehende Führungsteil (62-70) bzw. das Tischelement (76) einen Stellungsgeber (82) trägt, dessen in zur Bewegungsfläche des Tischelemen­ tes (76) senkrechter Richtung verlagerbares Meßteil (86) mit der Referenzfläche (88) zusammenarbeitet; daß die Stellein­ richtung mindestens einen von einer Basisplatte (38) getra­ genen Aktuator (60-1 bis 60-4) aufweist, der das festste­ hende Führungsteil (62-70) trägt;. und daß eine mit den Aktuatoren (60-1 bis 60-4) verbundene Servoregelung (90, 94) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des mit der Referenz­ fläche (88) zusammenarbeitenden Stellungsgebers (82) ar­ beitet.

2. Koordinatentisch nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine zweite Führungseinrichtung (42) vorgesehen ist, welche ein feststehendes Führungsteil (24-32) und ein bewegliches, die der ersten Führungs­ einrichtung (58) zugeordnete Basisplatte (38) tragendes Führungsteil (36, 40) aufweist, und daß auf der der ersten Führungseinrichtung (58) zugeordneten Basisplatte (38) oder einer der zweiten Führungseinrichtung (42) zugeord­ neten Basisplatte (20) eine in der Koordinatenrichtung der zweiten Führungseinrichtung (42) verlaufende Referenz­ fläche (56) vorgesehen ist, die mit einem Stellungsgeber (50) zusammenarbeitet, der von der Basisplatte (20) der zweiten Führungseinrichtung bzw. der Basisplatte (38) der ersten Führungseinrichtung getragen ist; und daß das Ausgangssignal des der zweiten Führungseinrichtung (58) zugeordneten Stellungsgebers (50) für eine Servoregelung (90, 94) verwendet wird, welche die der ersten Führungs­ einrichtung (58) zugeordneten Akuatoren (60-1 bis 60-4) ansteuert, oder Aktuatoren (22-1 bis 22-4) ansteuert, über welche das feststehende Führungsteil (24 bis 32) der zweiten Führungseinrichtung (42) auf der der zweiten Führungseinrichtung zugeordneten Basisplatte (20) abgestützt ist.

3. Koordinatentisch nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Führungseinrichtungen ein Drehlager ist.

4. Koordinatentisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungsgeber (50, 82) taktil arbeitende oder berührungslos arbeitende Stellungsgeber sind.

5. Koordinatentisch nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest eine der Referenzflächen (56, 88) durch einen Laserstrahl (100) gebildet ist und der mit dieser Referenzfläche zusammenarbeitende Stellungs­ geber ein optoelektronischer Stellungsgeber (82) ist, der ein Ausgangssignal bereitstellt, welches der Ablage des Laserstrahles von einem Soll-Auftreffpunkt zugeordnet ist.

6. Koordinatentisch nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest eine der Referenzflächen (56, 88) fehlerbehaftet ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Verschiebung des beweglichen Führungsteiles (36, 40; 74, 78) messender Stellungsmesser (44; 80) zur Adressie­ rung eines Korrekturspeichers (92) verwendet wird, in welchem Lagekorrektursignale oder korrigierte Lagesignale abgelegt sind; und daß die aus dem Korrekturspeicher (92) ausgelesenen Korrektursignale oder korrigierten Lagesig­ nale bei der Servoregelung (90, 94) für die Aktuatoren (22-1 bis 22-4; 60-1 bis 60-4) verwendet werden.

7. Koordinatentisch nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwei Führungseinrichtungen (42, 58) vor­ gesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs­ signale der beiden Stellungsgeber (58, 82), die den bei­ den Führungseinrichtungen (42, 58) zugeordnet sind, ad­ diert (98) werden und das Summensignal für die Servorege­ lung (90, 94) eines einzigen Satzes von Aktuatoren (60-1 bis 60-4) verwendet wird.