DE8206636U1

DE8206636U1 - Längen - oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE8206636U1
Application number: DE19828206636
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1982-03-10
Publication date: 1987-06-25

Description

- 1 -DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 5. März 1982

Längen- oder Winkelmeßsystem

Die Erfindung betrifft ein Längen- oder Winkelmeßsystem mit einer Einrichtung zur Korrektur

von Fehlern, insbesondere von Teilungefehlern j|

und/oder Maschinenfehlern, gemäß dem Oberbegriff '.

des Anspruchs 1· \ '

Einrichtungen zur Fehlerkorrektur bei Positionsmeßsystemen sind bereite bekannt·

In der DE-PS 27 Zk 858 ist bei einem Längenmeß-

system eine Korrektureinrichtung mit einer Gliederkette beschrieben, deren Glieder gemäß dem Fehlerverlauf quer zur Meßrichtung einstellbar sind und die von einem Übertragungselement abgegriffen werden, das eine korrigierende Relativbewegung zwischen einer Abtasteintielt und einem Maßstab bewirkt. Die Genauigkeit dieser Fehlerkorrektur ist von der Anzahl der Glieder pro Meßlängeneinheit abhängig.

Der DE-PS 23 20 753 ist eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur bei einem Längenaeßsystem zu ent» nehmen, bei der ein Fehlerkorrekturprofil integrierender Beetandteil eines Trägers für einen Maßstab ist und von einem übertragungselement abgegriffen wird, das eine korrigierende Relativbewegung zwischen einer Abtasteinheit und dem Maßstab bewirkt.

Bei den vorgenannten Korrektureinrichtungen unterliegen die übertragungselemente in Form schwenkbarer Winkelhebel einem mechanischem Verschleiß nd bedingen wesentlich größere Querschnittsab messungen derartiger FoBitionemeßeysterne, was einem flexiblen Einsatz der Meßsysteme abträglich sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Positionsmeßsystemen eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur anzugeben, bei der der Bedarf an mechanischen Elementen reduziert werden kann und die ohne weiteres in handelsübliche Positionsmeßsysteme ohne wesentliche bauliche Veränderungen eingebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Korrektureinrichtung keiner aufwendigen mechanischen Elemente bedarf, wodurch sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau eines Positionsmeßsysteme ergibt. Wegen des weitgehenden Fehlens verschleiß·

behafteter Teile und des geringen Raumbedarfs ist ein betriebssicherer und flexibler Einsatz gewährleistet. Diese Einrichtung erlaubt die Korrektur linearer als auch nichtlinearer Fehler unabhängig von der Meßlänge.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den UnteransprUchen«

AusfUhrungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es g

Figur 1a, b einen Längsschnitt und einen Querschnitt eines

Längenmeßsystems,

Figur 2 einen Maßstab zur photoelektrischen Korrektur, '> Figur 3 einen weiteren Maßstab zur photoelektrischen Korrektur,

Figur h einen Ausschnitt eines

Längenmeßsysterns, Figur 5 einen weiteren Ausschnitt eines Längenmeßsystems, Figur 6 einen Maßstab zur magnetischen

Korrektur, Figur 7 ein schematisch dargestelltes

Längenmeßsystem, Figur 8 ein weiteres schematisch dar-

gestelltes Längenmeßsystem und

Figur 9 ein zweiteiliges Abtastelement mit Versteilelementen.

Nach Figur la, b 1st In einem Längsschnitt und In einem Querschnitt ein Längenmeßsystem mit einem Gehäuse 1 in Form einos Hohlprofile an einem Bett einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine mittels einer Schraubverbindung 3 befestigt. An einer Innenfläche des Gehäuses 1 ist ein Maßstab k mittels einer Klebeschicht 5 angebracht, auf dem an zwei zueinander senkrechten Führungsflächen eine Abtasteinheit 6 mittels Rollen 7 geführt ist, die mit bekannten, nicht dargestellten Mitteln in Form einer Beleuchtungseinrichtung, einer Ab» tastpiatte und von Photoelementen die Teilung T des Maßstabs k abtastet. An einem Schlitten 8 der Bearbeitungsmaschine ist ein Montagefuß 9 »it einem Mitnehmer 10 in beliebiger Weise befestigt, der Über sine schwertförmige Verjüngung 11 durch einen Schlitz 12 in das im übrigen vollkommen gell schlossene Gehäuse 1 hineinragt, wob si im Schlitz 12 angeordnete elastische Dichtlippen 13 ein EIn-V t 20 dringen von Verunreinigungen in das Innere des Ge- ■' häuses 1 verhindern. Die Relativbewegung des Schiit-■ tens 8 bezüglich des Betts 2 wird vom Mitnehmer &ngr; auf die Abtasteinheit 6 übertragen, die die bei

der Abtastung der Teilung T des Maßstabs k gewon-

Sj 25 nenen elektrischen periodischen Analogsignale

g einer nicht gezeigten Auswerteeinheit zufuhrt.

Zur Korrektur von Tellungsfehlem und/oder Maschinenfehlern ist in einer Ausnehmung &Igr;*» in der Abtast-

&\ 30 einheit 6 ein schematisch dargestelltes elektro-

n mechanisches Verstellelement in Form eines piezo-

^ elektrischen Elements 15 befestigt, das mit einer

§ Fläche 16 mittels einer Druckfeder 18 in ständigem

U Kontakt mit einer Fläche 17 des Mitnehmers 10

steht; die Druckfeder 18 ist in einer Vertiefung 19 des Mitnehmers "O und in einer Vertiefung 20 der Aistasteinheit 6 gehaltert. ^l

Das piezoelektrische Element I5 wird zur Korrektur der Relativlage zwischen der Abtasteinheit 6 und dem Mitnehmer 10 entsprechend dem Fehlerverlaul' über nicht gezeigte Leitungen mit elektrischen Korrektursignalen beaufschlagt, die aus zwei Korrekturspuren K₁, K₂ neben der Teilung T auf dem transparenten Maßstab k gemäß Figur 2 gewonnen werden. Diese transparenten Korrekturspurcn K , K₂ in einer lichtundurchlässigen Schicht 21 zur optischen Aufzeichnung einer Korrekturinformation gemäß dem Fehlerverlauf sind in der Breite entsprechend der Korrekturinformation moduliert und werden mittels je eines Photoelements 22, 23 in der Abtasteinheit im Durchlicht abgetastet, deren Ausgangssignale entsprechend verstärkt dem piezoelektrischen Ele— ment I5 als Korrektursignale zugeleitet werden; diese Korrektursignale bewirken Längendilatationen bzw. Längenkontraktionen des piezoelektrischen Elements I5 in Meßrichtung zur Korrektur der Relativlage zwischen der Abtasteinheit 6 und dem Mitnehmer 10 entsprechend dem Fehlerverlauf. Die Korrekturspuren K., K₂ sind als Gegentaktspuren ausgebildet, da die Korrektursignale sowohl positive als auch negative Vorzeichen haben können.

In Figur 3 sind auf einem transparenten Maßstab ^a zwei Korrekturspuren K&ldquor;, K^ neben einer nicht dargestellten Teilung zur optischen Aufzeichnung einer Korrekturinformation gemäß einem Fehlerverlauf gezeigt, die von zwei im Gegentakt geschalteten Photo-

elementen 2k, 25 In e.'.ner Abtasteinheit abgetastet werden; die Photoelemente 2k, 25 oder die entsprechenden Abtastfelder besitzen die Länge L. Die Korrekturspuren K&ldquor;, Kr besitzen ebenfalls die Periodenlänge L, wobei jede Periode aus einem durchsichtigen und aus einem undurchsichtigen Feld besteht, bei der Korrekturspur Kr besitzt das undurchsichtige (gestrichelte) Feld die Länge C und das durchsichtige Feld die Länge L-Cj bei der Korrekturspur K_ besitzt das durchsichtige Feld die Länge C und das undurchsichtige (gestrichelte) Feld die Länge L-C. Die in Differenz geschalteten Photoelemente Zk, 25 liefern demnach bei der Abtastung der Korrekturspuren K&ldquor;_t Kr das Ausgangssignal U = U_Q (2C-L), das vom Tastverhältnis C/L

abhängt und bei konstantem Verhältnis C/L unab- ]

hängig von der Bewegung der Photoelemente 2k, 25 I

ist. Dieses Ausgangssignal kann ebenfalls ent- ■ \

sprechend verstärkt als Korrektursignal einem elektromechanischen Verstellelement zur Korrektur der Relativlage zwischen einer Abtasteinheit und einem Mitnehmer entsprechend dem Fehlerverlauf zugeführt werden.

Iii Figur k ist in einem Ausschnitt eines Längenmeßsystems ein magnetoatriktives Element 30 als Verstellelement zwischen einer Abtaateinheit 6a und einem Mitnehmer 10a gezeigt. Das magnetostriktive Element 30 besteht aus einem zylinderfönnigen Bolzen 31 aus magnetoatriktivem Material, das in einer Ausnehmung 3² in der Abtaateinheit 6a befestigt ist und mit einer Fläche 33 mittels einer Druckfeder 3^ in ständigem Kontakt mit einer Fläche 35 des Mitnehmers 10a steht; die Druckfeder 3k ist

in einer Vertiefung 36 des Mitnehmers 10a und in einer Vertiefung 37 der Abtasteinheit 6a gehaltert« Der magnetostriktive Bolzen 31 ist von einer an der Abtasteinheit 6a befestigten elektrischen Spule 38 umgeben, der üoer Leitungen 39 Korrektursignale zugeführt werden, so daß der Bolzen 31 Längendilatationen bzw. Längenkontraktionen zur Korrektur der Relativlage zwischen der Abtasteinheit 6a und dem Mitnehmer 10a in Abhängigkeit vom Fehlerverlauf erfährt.

In Figur 5 ist in einem Ausschnitt eines Längennießsystems ein elektromagnetisches Element kO als Verstellelement zwischen einer Abtastplatte hl einer Abtasteinheit 6b und einem Mitnehmer 10b gezeigt. Das elektromagnetische Element kO besteht aus einer am Mitnehmer 10b befestigten elektrischen Spule k2 und einem in ihrem Inneren längsverschieblichen Kern 43, dessen aus der Spule herauf ragende

Endfläche kk mit einer Fläche k$ eines Trägers kj für die Abtastplatte 41 mittels zweier am Träger kj angreifender Blattfedern k8 in ständigem Kontakt steht. Der Mitnehmer 10b ist mittels eines in Meßrichtung steifen Drahtes k6 gelenkig mit der Abtasteinheit 6b verbunden. Der Spule k2 werden über Leitungen 49 Korrektursignale zugeführt, so daß sich durch entsprechende Lageänderungen des Kerns k bezüglich der Spule 42 eine Korrektur der Relativlage zwischen der in der Abtasteinheit 6b parallel zu einem Maßstab verschieblichen Abtastplatte 4i und dem Mitnehmer 10b entsprechend dem Fehlerverlauf ergibt. Diese Anordnung empfiehlt sich, wenn nur kleine Korrekturen erforderlich sind. Die Leitungen 49 vorlaufen im Inneren des hohlen Mitnehmer&bgr; 10b.

In nicht dargestellter Welse kann ein Verstellelement zwischen einer Abtasteinheit bzw. einer Äbtastplatte und einem Mitnehmer auch durch einen Linearmotor oder durch einen elektrischen Motor gebildet sein, wobei letzterer eine Spindel, einen Exzenter oder eine Zahnstange zur Korrektur der Relativlage zwischen der Abtasteinheit bzw. der Abtastplatte und dem Mitnehmer gemäß einch?« Fehlerverlauf beaufschlagt.

In Figur 6 ist auf einem Maßstab kb neben einer Teilung T₁ eine magnetisierbare Korrekturspur K zur magnetischen Aufzeichnung einer Korrekturinformation gemäß einem Fehlerverlauf dargestellt, die von einem Hallelement 50 in einer Abtasteinheit abgetastet wird. Diese Korrekturspur K_ ist innerhalb von Perloden mit einer Periodenlänge L nach einem bestimmten Muster einmal positiv bis zur Sättigung und einmal negativ bis zur Sättigung magnetisiert; die Pfeile in der Korrekturspur K_ stellen die Magnetisierungsvektoren M dar. Da das Hallelement 50 ebenfalls die Länge L aufweist, erscheint am Ausgang des Hallelements 50 die Hallspannung U_H = B_QC -B₀(L-C) = B_Q (2C-L) als Mittelwert der beiden magnetischen Induktionen +_ B innerhalb einer Periode j Wegen der Übereinstimmung der Länge L des Hallelements 50 mit der Periodizität L der Magnetisierung M ändert sich die vom Hallelement 50 abgegebene Hallspannung U&ldquor; nicht, wenn das Hallelement 50 bewegt wird und das Tastverhältnis O/L konstant ist; eine Änderung des Tastverhältnisses C/L innerhalb der Periode L bewirkt eine Änderung der Hallspannung U&ldquor;. Diese Hallspannung U&ldquor; kann ebenfalls entsprechend ver-

stärkt als Korrekturslgnal einem elektromechanischen Verstellelement zur Korrektur der Relativlage zwischen einer Abtasteinheit bzw· einer Abtastplatte und einem Mitnehmer entsprechend einem Fehlerverlauf zugeführt werden.

Entsprechende Korrektureignale können auch aus Korrekturspuren mit Induktiver oder kapazitiver Aufzeichnung von Korrekturinformationen gewonnen werden.

Die Gewinnung von Korrektursignalen ist auch aus mechanischen Korrekturspurer» in Form von Fehlerkorrekturprofilen möglich, die beispielsweise durch elektromechanische Elemente in Form von piezoelek trischen Elementen oder magnetostriktion Elementen oder durch mechanische Fühler abgetastet werden, die elektrische Elemente beispielsweise in Form eines Potentiometers beaufschlagen; die Ausgangs? signale dieser Elemente werden wiederum entsprechend verstärkt Verstellelementen zwischen einer Abtasteinheit bzw« einer Abtastplatte und einem Mitnehmer zugeleitet*

Die in beliebiger Weise gewonnenen Korrektursignale können auch in einem Analogspeicher oder einem Digitalspeicher des Meßsystems abgespeichert sein. Die Korrekturinformationen können beispielsweise mittels eines Laserinterferometers bei der Vermessung des Positionsmeßsystems in der Gebrauchslage an der Maschine gewonnen werden.

In Figur 7 ist in scheraatischer Darstellung eine Abtaeteinheit 6c gezeigt, die mittels Rollen 60 auf einem Maßstab kc geführt ist. Die Abtastein-

heit 6c ist mit einem Mitnehmer 10c mittels eines in Meßrichtung steifen Drahtes 6t gelenkig verbunden. Die Abtasteinheit 6c tastet den Maßstab Uc mit Hilfe einer Lampe 62, eines Kondensors 63, einer Abtastplatte 64 und von Photoelementen 65 in bekannter Weise ab. In der Abtasteinheit 6c ist ein elektromagnetisches Eloment 67 als Verstellelement mit einer in einer Wandung 66 der Abtasteinheit 6c befestigten elektrischen Spule und mit einem in ihrem Inneren längsverschieblichen Kern 69 vorgesehen, der über einen in der Abtasteinheit 6c gelagerten Winkelhebel 70 als Untersetzungselement und über zwei Drähte 71» einen Träger 73 für die Abtastplatte 64 gegen die Federkraft einer Feder 74 beaufschlagt. Der Träger 73 der Abtastplatte 64 ist mittels zweier Blattfedern 75 als Parallelogrammführung parallel zum Maßstab 4c geflihrt. Der Spule 68 werden über Leitungen 76, die im Inneren des hohlen Mitnehmers 10c verlaufen, Korrektursignale zugeführt, so daß sich durch entsprechende Lageänderungen des Kern 69 bezüglich der Spule 68 eine Korrektur der Relativlage zwischen der in der Abtasteinheit 6c parallel zum Maßstab 4c verschieblichen Abtast platte 64 und dem Mitnehmer 10c in Meßrichtung entsprechend dem Fehlerverlauf ergibt.

In Figur 8 ist in schematischer Darstellung ein Bett 80 einer Maschine mit einem darauf befestigten Maßstab 4d gezeigt, der von einer Abtastein heit 6d in der oben beschriebenen Weise abgetastet wird. Die Abtasteinheit 6d ist in einer Schwalbenschwanz führung: 82 in einer Ausnehmung 83 eines Schlittens 84 der Maschine verschieblich angeord-

net. In einer Vertiefung 85 der Abtasteinheit 6d ist ein piezoelektrisches Element 86 befestigt, das mit einer Fläche 87 mit einer Fläche 88 der , Abtasteinheit 6d unter der Wirkung einer Feder 89 in ständigem Kontakt steht. Dem piezoelektrischen Element 86 werden über nicht gezeigte Leitungen Korrektureignale zur Korrektur der Relativlage zwischen der Abtasteinheit 6d und dem Schlitten 8h gemäß einem Fehlerverlauf zugeführt.

In Figur 9 ist ein Abtastelement 90 in Form zweier Abtastplatten 90a, 90b gezeigt, die Jeweils von einem in einem Mitnehmer 1Od befestigten piezoelektrischen Element 92, 93 beaufschlagt werden.

Über nicht gezeigte Leitungen werden den piezo=

elektrischen Elementen 92, 93 Korrektursignale zur Korrektur der Relativlage zwischen dem Mitnehmer 1Od und den Abtastplatten 90a, 90b gemäß einem Fehlerverlauf zugeführt. Die Abtastplatten 90a, 90b be-» sitzen in nicht gezeigter Weise jeweils um 90° versetzte Abtastfelder zur Richtungsdiskriminierung der Meßbewegung. Zur Einstellung des 90°-Phasenwinkels können die Abtastplatten 90a, 90b relativ zueinander mittels der piezoelektrischen Elemente 92, 93 verschoben werden.

Anstelle eines elektromechanischen Verstellelements kann zwischen der Abtasteinheit oder dem Abtastelement und dem Mitnehmer oder dem Objekt auch ein elektrisches Verstellelement zur Korrektur der Relativlage mittels eines elektromagnetischen Feldes infolge zugeführter Korrektursignale vorgesehen sein.

Die Erfindung ist nicht auf lichtelektrische Meßsysteme beschränkt, sondern auch bei optischen, mag netischen, induktiven oder kapazitiven Meßsystemen einsetzbar·

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Claims

PH DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 14. Mai 1987 G 82 06 636.1 Schutzansprüche

1.^Längen- oder Winkelmeßeinrichtung/mit einer Einrichtung zur Korrektur von Fehlern, insbesondere von Teilungsfehlern und/oder Maschinenfehlern, mit einer Meßteilung und einer diese Meßteilung abtastenden Abtastbaueinheit an zwei relativ zueinander verschieblichen Objekten, wobei die Abtastbaueinheit mit dem zu messenden Objekt entweder über einen Mitnehmer oder direkt mit diesem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Abtastbaueinheit (6; 6a; 6b; 6c; 6d) oder einem in dieser verschieblichen Abtastelement (41; 64; 90) und dem Mitnehmer (10; 10a; 10b; 10c; 10d) oder dem Objekt (8; 84) wenigstens ein mit elektrischen Korrektursignalen beaufschlagtes elektrisches oder elektromechanisches Verstellfclement (15; 30; 40; 67; 85; 92; 93) zur Korrektur der Relativlage zwischen der Abtastbaueinheit (6; 6a; 6b; 6c; 6d) oder wenigstens einem Teil (90a, 90b) des Abtastelements (41; 64; 90) und dem Mitnehmer (10; 10a; 10b; 10c; 10d) bzw. dem Objekt (8; 84) entsprechend dem Fehlerverlauf angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (15; 86; 92; 93) durch ein piezoelektrisches Element gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (30) durch ein magnetostriktives Element gebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (40; 67) durch ein elektro-

*■' magnetisches Element in Form einer elektrischen

Spule (42; 68) mit einem längsverschieblichen Kern (43; 69) gebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement durch einen elektrischen Motor gebildet ist.

10

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiteiligen Abtastelement (90) und dem Mitnehmer (1Od) jeweils ein Verstellelement (92; 93) angeordnet ist.

15

7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekenn- ;·; zeichnet, daß zwischen dem Verstellelement (67)

H und dem Abtastelement (64) ein übertragungselement

P (70) in Form eines Untersetzungselements oder eines

f| 20 Ubersetzungselements angeordnet ist.

K

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

U daß Korrekturinformationen aufweisende Korrektur

spuren (K-, K&ldquor;; K_, K.; K₁.) neben der Meßteilung (T; T.) angeordnet sind.