DE10031687A1 - Linearbewegungseinrichtung mit Laser-Positionsmesseinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Linearbewegungseinrichtung (10) umfasst ein auf einer Basis (14) angeordnetes Führungselement (16) mit einer Längsachse (A), einen auf dem Führungselement (16) in Richtung dessen Längsachse (A) längsbeweglich abgestützten Läufer (16) und eine die Position des Läufers (16) relativ zum Führungselement (12) erfassende Positionsmesseinrichtung (18) mit einer Lasereinheit (20) und einem am Läufer (16) angeordneten Reflektor (24). Erfindungsgemäß ist der Reflektor (24) am bzw. im Läufer (16) versenkt angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Linearbewegungseinrichtung, umfassend ein auf einer Basis angeordnetes Führungselement mit einer Längsachse, einen auf dem Führungselement in Richtung dessen Längsachse längsbeweglich abge­ stützten Läufer sowie eine die Position des Läufers relativ zum Führungs­ element erfassende Positionsmesseinrichtung mit einer auf der Basis angeordneten Lasereinheit und einem am Läufer angeordneten Reflektor.

Als Linearbewegungseinrichtungen sind im Stand der Technik Linear­ führungseinrichtungen, Wälzkörpergewindetriebe und dergleichen bekannt. Bei Linearführungseinrichtungen ist dabei üblicherweise das Führungs­ element von einer Führungsschiene gebildet, auf welcher ein den Läufer bildender Führungswagen längsverschieblich geführt ist, wobei der Führungswagen in einem orthogonal zur Längsachse der Führungsschiene genommenen Schnitt einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf­ weist und sich über eine Mehrzahl von Wälzkörperschleifen rollend auf Laufbahnen der Führungsschiene abstützt. Bei Wälzkörpergewindetrieben hingegen fungiert eine Gewindespindel als Führungselement, auf dem eine den Läufer oder zumindest einen Teil dieses Läufers bildende Gewinde­ mutter mittels wenigstens einer Wälzkörperschleife längsverschieblich geführt ist.

Ferner ist es im Stand der Technik bekannt, derartige Linearbewegungs­ einrichtungen mit einer Laser-Positionsmesseinrichtung auszustatten. Häufige Anwendungsfälle derartiger, beispielsweise interferometrisch arbeitender Laser-Positionsmesseinrichtungen sind Maßstäbe, z. B. Glas­ maßstäbe oder andere körperliche Darstellungen von Längenmaßen, wie Strichmuster, Lochmuster, Magnetisierungsmuster mit abwechselnden magnetischen Nord- und Südpolen, Ätzmuster, Verzahnungsmuster oder Leiterdrahtmuster in Bearbeitungsmaschinen hinsichtlich ihrer Kalibrierung oder in Messbänken. Auch bei der dynamischen Steigungsfehlermessung an Gewindespindeln von Wälzkörpergewindetrieben, insbesondere Kugel­ gewindetrieben, wird die Lasertechnik zur Positionsermittlung eingesetzt. Bei allen diesen Anwendungsbeispielen ist regelmäßig auf dem bewegten Teil ein Reflektor in Form einer Reflexionsfolie aufgeklebt, welche die entsprechenden Signale zu der stationären Lasereinheit zurückwirft.

Gegenüber anderen bekannten Positionsmesseinrichtungen, beispielsweise optischen, kapazitiven, induktiven oder magnetischen Positionsmess­ einrichtungen, bei denen in der Regel an dem feststehendem Teil, z. B. der Führungsschiene einer Linearbewegungseinheit, eine Mess-Skala und an dem bewegten Teil, z. B. dem Führungswagen der Linearbewegungseinheit, ein Messkopf angebracht werden müssen, hat die Verwendung der Laser­ technik den Vorteil, dass der relativ hohe Bearbeitungsaufwand, insbe­ sondere für das hochgenaue Herstellen sowie Positionieren der Mess-Skala am bzw. im Führungselement entfällt. Außerdem können Messfehler, die bei den anderen bekannten Positionsmesseinrichtungen durch die thermische Ausdehnung von Führungselement, Mess-Skala oder ihrer Abdeckung unvermeidlich entstehen, vermieden werden.

Aufgrund des Einsatzes der Laser-Positionsmesseinrichtung, die beispiels­ weise auf dem Prinzip der Laufzeitmessung oder dem Prinzip interfero­ metrischer Messung beruht, können die Einflüsse von thermischen Ausdeh­ nungen und dergleichen ohne weiteres ausgeschlossen werden. Messlängen von bis zu 40 m stellen dabei kein grundsätzliches Problem dar. Das erfindungsgemäße Prinzip kann jedoch auch bei Minischienen eingesetzt werden. Bei Wälzkörpergewindetrieben sitzt die Messeinrichtung zentral an der Gewindespindel. Dadurch kann ein möglicher Messfehler in einfacher Weise mit einer einzigen Positionsmesseinrichtung verhindert werden, was bislang nur mittels zweier derartiger Messeinrichtungen möglich war.

Jedoch hat sich insbesondere bei rauhen Umgebungsbedingungen, wie sie häufig bei Bearbeitungsmaschinen, z. B. infolge des Flugs von Spänen oder des Spritzens von Kühlschmiermittel, herrschen, gezeigt, dass der aufge­ klebte Reflektor schnell verschmutzt oder sich von dem Läufer ablöst. Außerdem besteht stets die Gefahr einer Beschädigung des Reflektors durch mechanische Einwirkungen.

Weitere Nachteile der Lösungen des Standes der Technik sind in den hohen Bereitstellungskosten, der geringen Ortsauflösung und dem hohen Verschleiß zu sehen. Darüber hinaus können die bekannten Laser-Positions­ messeinrichtungen nicht bei Linearbewegungseinrichtungen beliebiger Baugröße eingesetzt werden, da sie der jeweiligen Länge angepaßt werden müssen.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Linear­ bewegungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die Störanfälligkeit der Laser-Positionsmesseinrichtung verringert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Reflektor am bzw. im Läufer versenkt anzuordnen. Durch die erfindungs­ gemäße versenkte Anordnung kann der Reflektor in einfacher Weise vor mechanischen Einflüssen geschützt werden, so dass er im günstigstens Fall über die gesamte Lebensdauer der Linearbewegungseinrichtung nicht ersetzt zu werden braucht. Auch besteht durch die erfindungsgemäße Anordnung ein hinreichender Schutz des Reflektors gegen Verunreinigungen, die während des Betriebs der mit der Linearbewegungseinrichtung ausge­ rüsteten Maschine auftreten können.

Der Reflektor kann in einer Ausnehmung angeordnet sein, welche in einer, vorzugsweise zur Längsachse des Führungselements orthogonal verlaufen­ den, Endfläche des Läufers vorgesehen ist. Unabhängig davon, ob die Ausnehmung ein Sackloch ist oder wenigstens eine zur Längsrichtung im Wesentlichen parallel verlaufende offene Seite aufweist, kann die Ausnehmung bereits während der Herstellung des Läufers oder auch erst nachträglich in diesen eingebracht werden. Die dauerhafte Fixierung des Reflektors in dieser Ausnehmung kann durch Kleben, Schweißen oder auf jede andere geeignete Art und Weise erfolgen.

Ferner besteht die Möglichkeit, den Reflektor beim Herstellungsprozess des Läufers mit zu integrieren. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere für den Fall an, dass der Läufer als Guss- oder Spritzgussteil aus Kunststoff gefertigt ist, beispielsweise faserverstärktem Kunststoff, wie glasfaser­ verstärktem Kunststoff (GFK) oder kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dasselbe gilt auch dann, wenn auf den für die Anordnung des Reflektors in Betracht kommenden Flächen des Läufers Teile aus spritzgießfähigem Material befestigt werden. Dies ist beispielsweise bei Führungswagen von Linearführungseinrichtungen der Fall, bei denen dieser Führungswagen an seinen zur Längsachse orthogonal verlaufenden Stirnseiten aus Kunststoff gefertigte Endkappen aufweist, in welchen die Umlenkteile für die in den Wälzkörperschleifen umlaufenden Wälzkörper untergebracht sind. Diese Endkappen können aus Kunststoff gefertigt sein und einen oder mehrere versenkt angeordnete Reflektoren aufnehmen.

Ein nachträglicher Einbau der erfindungsgemäßen Lasermesseinrichtung ist durch einfaches Auswechseln bzw. im günstigesten Fall Nachbearbeiten des Führungswagens möglich. Vorzugsweise kann die Lasereinheit der Laser­ messeinrichtung eine Auswerteeinheit zum Auswerten der reflektierten Laserstrahlung umfassen. Die kann beispielsweise mit einer Steuereinheit zum Steuern der Verstellbewegung der Linearbewegungseinrichtung kombi­ niert sein. Ferner können mit einer einzigen solchen Steuereinheit gewünschtenfalls mehrere Stellachsen bedient werden. Schließlich ist es unter Einsatz beispielsweise eines rotierenden Spiegels oder dergleichen auch möglich, ein und denselben Laser für mehrere Stellachsen zu verwenden.

Ein weiterer Vorteil ist die einfache Wartung und im Fehlerfall die schnelle Fehlerbeseitigung. Referenzfahrten sind nicht nötig, da ein Nullwert stets durch den Sender, d. h. den Laser, gegeben ist. Ferner ist es auch nach dem Abschalten möglich, eine gewünschte Position am Werkstück immer wieder exakt anzufahren, d. h. die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung bietet eine hohe Wiederholgenauigkeit. Erforderlichenfalls kann eine Korrektureinheit vorgesehen sein, welche dafür sorgt, dass bei der Auswer­ tung der reflektierten Laserstrahlung Umgebungseinflüsse berücksichtigt werden.

Schließlich ist es auch möglich, die Lasereinheit vor Verschmutzung und Beschädigung zu schützen. Hierzu kann die Lasereinheit beispielsweise im Bereich der Austrittsöffnung der Laserstrahlung eine Schutzvorrichtung, vorzugsweise in Form eines Rohrs, umfassen. Ferner kann auch im Bereich des Reflektors eine vergleichbare Schutzvorrichtung vorgesehen sein.

Um störende Umgebungseinflüsse verhindern zu können, kann es von Vor­ teil sein, durch Veränderung der Streuung des Laserstrahls oder auf andere geeignete Weise den Laserstrahl derart aufzuweiten, dass sich auf dem Reflektor kein punktförmiger Laserspot, sondern ein flächiger Laserspot ergibt.

Insgesamt ist festzuhalten, dass der Reflektor flexibel angebracht werden kann, so dass auch schwierige Kundenwünsche problemlos erfüllt werden können.

Wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung von dem "Läufer" einer Linearbewegungseinrichtung die Rede ist, so sind hierunter sämtliche wälz- oder gleitgelagerten Elemente, z. B. Führungswagen, Kugelbüchsen, Gewindemuttern sowie derartige Führungselemente enthaltende Tische oder Schlitten zu verstehen. In analoger Weise handelt es sich bei den weiter oben erwähnten Führungselementen um Profilschienen, Wellen, Gewinde­ spindeln oder dergleichen.

Die Erfindung wird im Folgenden an Ausführungsbeispielen an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es stellt dar:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer als Linear­ führungseinrichtung ausgebildeten erfindungsgemäßen Linearbewegungseinrichtung;

Fig. 2a eine Stirnansicht des Läufers dieser Linearführungs­ einrichtung in Richtung des Pfeils IIa in Fig. 1;

Fig. 2b eine Draufsicht des Läufers gemäß Fig. 2a in Richtung des Pfeils IIb in Fig. 1;

Fig. 3a und 3b Ansichten ähnlich Fig. 2a und 2b einer weiteren Ausführungsform eines Läufers einer erfindungs­ gemäßen Linearbewegungseinrichtung;

Fig. 4a eine Stirnansicht ähnlich Fig. 2a einer als Wälzkörper­ gewindetrieb ausgebildeten erfindungsgemäßen Linear­ bewegungseinrichtung; und

Fig. 4b eine Seitenansicht des Wälzkörpergewindetriebs gemäß Fig. 4a.

In Fig. 1 ist eine als Linearführungseinrichtung ausgebildete erfindungs­ gemäße Linearbewegungseinrichtung allgemein mit 10 bezeichnet. Sie umfasst eine Führungsschiene 12 mit einer Längsachse A, die auf einem Maschinentisch 14 oder dergleichen befestigt ist. Auf der Führungsschiene 12 ist ein Schlitten 16 in Richtung der Längsachse A der Schiene 12 hin- und herbeweglich geführt. Der Aufbau und die Funktion der Linearführungs­ einrichtung 10, insbesondere der Bewegungsantrieb des Schlittens 16 auf der Schiene 12, sind im Stand der Technik bekannt und sollen hier daher nicht näher erläutert werden.

Zur Erfassung der Position des Schlittens 16 relativ zur Führungsschiene 12 ist eine Positionsmesseinrichtung 18 vorgesehen. Diese umfasst eine Laser­ einheit 20, die mittelbar oder unmittelbar auf dem Maschinentisch 14 angebracht ist, und zwar vorzugsweise in der Verlängerung der Führungs­ schiene 12 in Richtung der Längsachse A. Ein Laser 22 der Lasereinheit, beispielsweise eine Laserdiode 22, emittiert einen in Fig. 1 strich-punktiert dargestellten Laserstrahl L zum Schlitten 16 hin, und zwar genauer gesagt in Richtung dessen zur Längsachse A im Wesentlichen orthogonal verlau­ fender Stirnfläche 16a. In dieser Stirnfläche 16a ist eine Bohrung 16b ausgebildet. An der Bodenfläche 16c dieser Bohrung 16b ist ein Reflektor 24 vorgesehen, der den Laserstrahl L zur Lasereinheit 20 zurückreflektiert, was in Fig. 1 durch die strich-punkt-punktierte Linie R angedeutet ist. Zur Erfassung des reflektierten Laserlichts R ist in der Lasereinheit 20 ein Fotodetektor 26 vorgesehen. Die Position des Schlittens 16 kann so von einer Auswerteeinrichtung 30, beispielsweise durch eine Laufzeitmessung, eine interferometrische Messung oder eine andere geeignete Messmethode, bestimmt werden. Diese Messprinzipien sind im Stand der Technik an sich bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert werden. Die Auswerte­ einrichtung 30 kann ferner eine Korrektureinrichtung beinhalten, welche es erlaubt, äußere Einflüsse, wie Temperaturänderungen oder dergleichen, bei der Bestimmung der Position des Schlittens 16 zu berücksichtigen.

Erfindungswesentlich ist es jedoch, dass der Reflektor 24 am Boden 16c der Bohrung 16d angeordnet ist, also an einer Stelle, an der er vor äußeren mechanischen Einflüssen, beispielsweise vor herumfliegenden Spänen in einer Bearbeitungsmaschine, geschützt ist. Erforderlichenfalls kann die Bohrung 16b auch noch durch eine, beispielsweise aus entspiegeltem Glas gefertigte, Schutzabdeckung vor dem unerwünschten Eindringen von Parti­ keln geschützt sein. Zum Schutz der Laserdiode 22 und gewünschtenfalls auch des Fotodetektors 26 ist an der Lasereinheit 20 ferner ein Schutzrohr 28 angebracht. Obgleich dies nicht ausdrücklich dargestellt ist, kann eine entsprechende Schutzvorrichtung auch im Bereich bzw. in der Nähe des Reflektors 24 vorgesehen sein.

Der Reflektor 24 kann beispielsweise von einer Kunststofffolie gebildet sein, die am Boden 16c der Bohrung 16b nachträglich festgeklebt oder auf andere Weise befestigt ist. Es ist jedoch auch möglich, den Reflektor 24 bereits beim Herstellungsprozess des Schlittens 16 mit zu integrieren. Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere für den Fall an, dass der Schlitten 16 ein Guss- oder Spritzgussteil aus einem Kunststoff, insbesondere glas­ faserverstärktem Kunststoff (GFK), ist. Das Gleiche gilt auch dann, wenn der Reflektor 24 nicht unmittelbar am Schlitten 16, sondern an einem mit diesem verbundenen Teil befestigt ist, beispielsweise einer Endkappe, in der die Umlenkkanäle der Wälzkörperumläufe des Schlittens 16 angeordnet sind.

Wie man insbesondere in Fig. 2a erkennt, weist der Schlitten 16 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf mit zwei Seitenschenkeln 16d, die mittels eines Verbindungsstegs 16e miteinander verbunden sind. Ferner weist der Schlitten 16 insgesamt drei Bohrungen 16b auf, in denen Reflektoren 24 angeordnet werden können (siehe auch Fig. 2b).

In den Fig. 3a und 3b ist eine weitere Ausführungsform eines Schlittens einer erfindungsgemäßen Linearbewegungseinrichtung dargestellt, der im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 1, 2a und 2b entspricht. Analoge Teile sind daher in den Fig. 3a und 3b mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1, 2a und 2b, jedoch vermehrt um die Zahl 100. Des Weiteren wird die Ausführungsform gemäß Fig. 3a und 3b im Folgenden nur insoweit beschrieben, als sie sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1, 2a und 2b unterscheidet, auf deren Beschreibung hiermit ansonsten ausdrücklich verwiesen sei.

Der Läufer 116 weist gemäß Fig. 3a ebenfalls einen im Wesentlichen U- förmigen Querschnitt auf. In seiner Stirnfläche 116a ist eine Ausnehmung 116b vorgesehen, an deren zur Längsachse A im Wesentlichen orthogonaler Bodenfläche 116c ein Reflektor 124 angebracht ist. Der Hauptunterschied der Ausnehmungen 116b gemäß Fig. 3a und 3b zur Ausnehmung 16b gemäß Fig. 2a und 2b besteht darin, dass die Ausnehmung 116b auch nach oben, d. h. bei 116g zur horizontalen Oberseite 116f des Schlittens 116 hin offen ist. Darüber hinaus ist in der Stirnfläche 116a des Schlittens 116 lediglich eine einzige derartige Ausnehmung vorgesehen.

Die Linearbewegungseinrichtung 210 gemäß Fig. 4a und 4b umfasst als Führungselement eine Gewindespindel 212 mit einer Spindelachse A, wobei diese Gewindespindel 212 über ihre Längsenden auf dem in den Fig. 4a und 4b nicht dargestellten Maschinentisch in Richtung der Achse A fest, jedoch um diese Achse A verdrehbar befestigt ist. Als Läufer umfasst der Wälzkörpergewindetrieb 210 eine Gewindemutter 216, die in an sich be­ kannter Weise auf der Gewindespindel 212 bei deren Drehung um die Achse A in Richtung der Achse A längsbewegbar geführt ist. In einer zur Achse A im Wesentlichen orthogonal verlaufenden Stirnfläche 216a der Gewinde­ mutter 216 ist eine Ausnehmung 216b vorgesehen, an deren Bodenfläche 216c ein Reflektor 224 angeordnet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4a und 4b entspricht also hinsichtlich der Anzahl der Ausnehmungen 216b der Ausführungsform gemäß Fig. 3a und 3b, hinsichtlich der Ausbildung der Ausnehmungen 216b der Ausführungsform gemäß Fig. 1, 2a und 2b.

Claims (13)

1. Linearbewegungseinrichtung (10; 110; 210), umfassend:
ein auf einer Basis (14) angeordnetes Führungselement (16; 216) mit einer Längsachse (A),
einen auf dem Führungselement (16; 216) in Richtung dessen Längsachse (A) längsbeweglich abgestützten Läufer (16; 116; 216) und
eine die Position des Läufers (16; 116; 216) relativ zum Führungselement (12; 212) erfassende Positionsmesseinrich­ tung (18) mit einer Lasereinheit (20) und einem am Läufer (16; 116; 216) angeordneten Reflektor (24; 124; 224),
dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (24; 124; 224) am bzw. im Läufer (16; 116; 216) versenkt angeordnet ist.

2. Linearbewegungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (24; 124; 224) in einer Ausnehmung (16b; 116b; 216b) des Läufers (16; 116; 216) ange­ ordnet ist, welche vorzugsweise in einer zur Längsachse (A) des Führungselements (12; 212) im Wesentlichen orthogonal verlaufen­ den Endfläche (16a; 115a; 216a) des Läufers (16; 116; 216) vorgesehen ist.

3. Linearbewegungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16b; 116b; 216b) bei der Herstellung des Läufers (16; 116; 216) in diesen eingeformt ist.

4. Linearbewegungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16b; 116b; 216b) nachträglich in den Läufer (16; 116; 216) eingebracht ist.

5. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16b; 216b) ein Sackloch ist.

6. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (116b) wenigstens eine zur Längsrichtung (A) im Wesentlichen parallel verlaufende offene Seite (116g) aufweist.

7. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (24; 124; 224) bei der Herstellung des Läufers (16; 116; 216) in diesem ausgebildet ist.

8. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (24; 124; 224) nach­ träglich in der Ausnehmung (16b; 116b; 216b) angeordnet ist.

9. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (16; 116; 216) als Guss- oder Spritzgussteil aus Kunststoff gefertigt ist, beispielsweise faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK).

10. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (18) eine Auswerte­ einheit (30) zum Auswerten der reflektierten Laserstrahlung (R) umfasst.

11. Linearbewegungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (30) eine Korrektureinheit zur Berücksichtigung von Umgebungseinflüssen umfasst.

12. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Austrittsöffnung der Laserstrahlung (L) oder/und im Bereich des Reflektors (24) eine Schutzvorrichtung (28), vorzugsweise in Form eines Rohrs, vorge­ sehen ist.

13. Linearbewegungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum Aufweiten der von der Lasereinheit (18) emittierten Laserstrahlung (L) vorgesehen ist.