DE3037042A1

DE3037042A1 - Einrichtung zur fehlerkorrektur an positionsmesssystemen

Info

Publication number: DE3037042A1
Application number: DE19803037042
Authority: DE
Inventors: Alfred Ing.(grad.) 8221 Stein Affa
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1982-04-01
Also published as: DE3037042C2

Description

Einrichtung zur Fehlerkorrektur an Positionsmeßsystemen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Korrektur von Maschinen- und/oder Teilungsfehlern bei Positionsmeßsystemen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Einrichtungen und Verfahren zur mechanischen Korrektur von Maschinen- und/oder Teilungsfehlern sind bereits bekannt. In der DE-PS 866 402 wird zum Stand der Technik eine Meßeinrichtung mit einem Korrekturlineal genannt, von dem aus die Ablesemarke mechanisch in eine dem jeweiligen Meßstrecken-Fehler entsprechende Stellung gegenüber der Streckenmarke gesteuert wird.
Aus der US-PS 3 039 032 ist ein Stellungsmeßsystem mit einer Korrekturschablone bekannt, die von einem Fühler abgetastet wird, der direkt auf den Meßgeber einwirkt.
Ein weiteres Fehlerkorrektursystem ist in der Dl-OS 20 42 505 beschrieben, bei dem das numerische Meßsystem einer Maschine durch ein eine Korrekturschablone abtastendes Organ eine Zusatzbewegung entsprechend dem jeweiligen Fehlerwert der Maschinenspindel erfährt. Die genannten Korrektureinrichtungen weisen jeweils gesondert eine Korrekturschablone oder ein Korrekturlineal auf, die nach der Herstellung am Meßgerät befestigt und justiert werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Fehlerkorrektur der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine Kompensation von Maschinen- und/oder Teilungsfehlern ohne ein separates Fehlerkorrekturprofil erzielt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Ausbildung der Kupplungselemente zwischen Abtasteinheit und Mitnehmer in Verbindung mit einer Neigung der Mittellinie der Teilung des Teilungsträgers bezüglich der Meßrichtung (Richtung der Führung der zu messenden Objekte) bereits eine korrigierende Relativbewegung zwischen Abtasteinheit und Teilungsverkörperung bewirkt wird, ohne daß ein gesondertes Fehlerkorrekturproil erstellt, an der Maschine befestigt und justiert werden muß, so daß sich ein besonders einfach aufgebautes, nur wenig Raum beanspruchendes Präzisionsmeßsystem ergibt. Des weiteren kann der Anwender selbst an der Maschine den notwendigen Korrekturgrad bei der Montage einstellen. Die Erfindung ermöglicht sowohl eine lineare als auch eine nichtlineare Fehlerkorrektur.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläut,ert.
Es zeigen Figur la, b ein Längenmeßgerät in zwei Schnittansichten mit einer Einrichtung zur linearen Fehl erkorrektur und Figur 2a, b ein Längenmeßgerät in einem Längsschnitt und in einem Querschnitt mit einer Einrichtung zur nichtlinearen Fehlerkorrektur.
In Figur 1a, b ist ein Längenmeßgerät mit einem Hohlprofil 1 an einem Bett 2 einer Bearbeitungsmaschine oder einer Meßmaschine in beliebiger Weise befestigt. Im Hohlprofil 1 ist beispielsweise durch eine Klebeschicht ein Maßstab 3 mit einer Teilung 4 angebracht. Eine Abtasteinheit 5 stützt sich am Maßstab 3 über Rollen 6 und am Hohlprofil 1 über Rollen 7 ab und tastet mit an sich bekannten, in der Zeichnung nicht dargestellten Mittoln die Teilung 4 des Maßstabs 3 ab. An einem Schlitten 8 der Bearbeitungsmaschine oder der Bteßmaschine ist ein Mitnehmer 9 beispielsweise mittels einer nicht gezeigten Schraubverbindung befestigt, der die Relativbewegung des Schlittens 8 bezüglich des Betts 2 auf die Abtasteinheit 5 überträgt. Dabei würden aber Maschinen-und/oder Teilungsfehler ohne Korrektureinrichtung ebenfalls übertragen und gingen in das Meßergebnis als Fehler ein.
Beim Längenmeßgerät ist daher erfindungsgemäß die in Längserstreckung des Maßstabs 3 verlaufende Mittellinie M der Teilung 4 über die gesamte Meßlänge um einen Winkel ß = 20 gegen die Richtung X der Führung 10 zwischen dem Schlitten 8 und dem Bett 2 (Meßrichtung) geneigt, die Relativbewegung der Abtasteinheit 5 bezüglich des Maßstabs 3 erfolgt parallel zur Mittellinie M der Teilung 4 und die Abtasteinheit 5 und der Mitnehmer 9 sind über Kupplungselemente 11, >12 miteinander gekoppelt, die derart ausgebildet sind, daß sich bei einer Relativbewegung des Mitnehmers 9 bezüglich des Maßstabs 3 eine Relativbewegung zwischen den beiden Kupplungselementen 11, 12 ergibt, die eine korrigierende Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit 5 und dem Maßstab 3 bewirkt. Dabei berühren sich das Kupplungselement 11 in Form eines Zylinderstiftes an der Abtasteinheit 5 und das dazu senkrecht angeordnete Kupplungselement 12 in Form eines konischen Bolzens am Mitnehmer 9 an zwei sich kreuzenden Mantellinien 15, 16, wobei die Mantellinie 16 des Kupplungselements 12 mit der zur Richtung X der Führung 10 zwischen dem Schlitten 8 und dem Bett 2 senkrechten Richtung Y einen Winkel d = 130 einschließt. Bei der Relativbewegung zwischen Mitnehmer 9 und Maßstab 3 verschiebt sich die Mantellinie 15 des Kupplungselements 11 entlang der Mantellinie 16 des Kupplungselements 12, so daß sich eine korrigierende Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit 5 und dem Maßstab 3 in Meßrichtung X entsprechend dem zu korrigierenden linearen Fehlerverlauf ergibt. Die Mantellinien 15, 16 der beiden Kupplungselemente 11, 12 werden mittels einer Zugfeder 13 in ständigem Kontakt miteinander gehalten, die in beliebiger Weise an der Abtasteinheit 5 und an einem Zapfen 14 des Mitnehmers 9 befestigt ist.
Die Einstellung des erforderlichen Korrekturgrades zur linearen Fehlerkompensation erfolgt durch Variation des Winkels ß in Abhängigkeit vom konstanten Winkel. Dazu ist das Hohlprofil 1 in nicht gezeigter Weise an einem Ende am Bett 2 der Maschine schwenkbar gelagert und am anderen Ende mittels eines Langlochs um den Winkel ß verstellbar befestigt.
Es kann aber auch das Hohlprofil am Bett starr fixiert und der Maßstab im Hohlprofil durch geeignete Mittel um den Winkel ß geneigt werden.
In Figur 2a, b ist ein Längenmeßgerät mit einem Hohlprofil 1' an einem Bett 2' einer Bearbeitungsmaschine oder einer Meßmaschine in beliebiger Weise befestigt. Im Hohlprofil 1' ist durch eine Klebeschicht 20 ein Maßstab 3' mit einer Teilung 4' auf einem Trägerteil 21 angebracht. Eine Abtasteinheit 5' stützt sich am Maßstab 3' über Rollen 6' und am Hohlprofil 1' über weitere nicht gezeigte Rollen ab und tastet mit an sich bekannten, in der Zeichnung nicht dargestellten Mitteln die Teilung 4' des Maßstabs 3' ab. An einem Schlitten 8' der Bearbeitungsmaschine oder der Meßmaschine ist ein Mitnehmer 9' beispielsweise mittels einer nicht gezeigten Schraubverbindung befestigt, der die Relativbewegung des Schlittens 8' bezüglich des Betts 2' auf die Abtasteinheit 5' überträgt.
Zur nichtlinearen Fehlerkompensation ist erfindungsgemäß die in Längserstreckung des Maßstabs 3' verlaufende Mittellinie M' der Teilung 4' in einem Bereich A um einen Winkel = = 3 30, in einem Bereich B um einen Winkel ß = 40 und in einem Bereich C um einen Winkel D"' = 20 gegen die Richtung X' der Führung 10' zwischen dem Schlitten 8' und dem Bett 2' (Meßrichtung) geneigt, die Relativbewegung der Abtasteinheit 5' bezüglich des Maßstabs 3' erfolgt parallel zur Mittellinie M' der Teilung 4' und die Abtasteinheit 5' und der Mitnehmer 9' sind über Kupplungselemente 11', 12' miteinander gekoppelt, die derart ausgebildet sind, daß sich bei einer Relativbewegung des Mitnehmers 9' bezüglich des Maßstabs 3' eine Relativbewegung zwischen den beiden Kupplungselementen 11', 12' ergibt, die eine unterschiedlich korrigierende Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit 5' und dem Maßstab 3' in den Bereichen A, B, C bewirkt. Dabei beriihren sich das Kupplungselement 11' in Form eines Zylinderstiftes an der Abtasteinheit 5' und das dazu senkrecht angeordnete Kupplungselement 12' in Form eines konischen Bolzens am Mitnehmer 9' an zwei sich kreuzenden Mantellinien 15', 16', wobei die Mantellinie 16' des Kupplungselements 12' mit der zur Meßrichtung X' senkrechten Richtung Y' einen Winkel. = 120 einschließt. Bei der Relativbewegung zwischen Mitnehmer 9' und Maßstab 3' verschiebt sich die Mantellinie 15' des Kupplungselements 11' entlang der Mantellinie 16' des Kupplungselements 12', so daß sich eine korrigierende Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit 5' und dem Maßstab 3' in Meßrichtung X' entsprechend dem zu korrigierenden nichtlinearen Fehlerverlauf ergibt. Die Mantellinien 15', 16' der beiden Kupplungselemente 11', 12' werden mittels einer nicht gezeigten Zugfeder in ständigem Kontakt miteinander gehalten, die in beliebiger Weise an der Abtasteinheit 5' und am Mitnehmer 9' befestigt ist.
Die Einstellung des erforderlichen Korrekturgrades zur nichtlinearen Fehlerkompensation erfolgt durch Variation der Winkel ß', 13'', ß"' in Abhängigkeit vom konstanten Winkel d'. Dazu ist das im Querschnitt L-förmige Trägerteil 21 mit Einschnitten 24 an den Grenzen der Bereiche A, B, C versehen, so daß die Mittellinie M' der Teilung 4' durch eine leichte Verbiegung des Trägerteils 21 an den Stellen der Einschnitte 24 und damit des Maßstabs 3' um kleine unterschiedliche Winkel ß, ß", ß'" gegen die Meßrichtung Xt eingestellt werden kann. Das Trägerteil 21 kann zu diesem Zwecke mittels Schrauben 22 in Langlöchern 23 im starr am Bett 2' fixierten Hohlprofil 1' verstellt werden.
Ferner kann auch das Längenmeßgerät nach Fig. 1a, b zu einer nichtlinearen Fehlerkompensation herangezogen werden, indem das Hohlprofil in nicht gezeigter Weise durch geeignete Mittel derart verbogen wird, daß die Mittellinie der Teilung in verschiedenen Bereichen des Maßstabs um kleine Winkel gegen die Meßrichtung gemäß des erforderlichen Korrekturgrades geneigt ist.
In nicht gezeigter Weise können der konische Bolzen auch an der Abtasteinheit und der dazu senkrechte Zylinderstift am Mitnehmer angeordnet sein. Des weiteren kann die Mantellinie eines konischen Bolzens, die mit der zur Meßrichtung senkrechten Richtung einen Winkel einschließt, mit einer dazu senkrechten Mantellinie einer Rolle in Kontakt stehen, wobei diese berührende Mantellinie parallel zur Drehachse der Rolle verläuft; der konische Bolzen oder die Rolle können jeweils entweder an der Abtasteinheit oder am Mitnehmer angeordnet sein.
In ebenfalls nicht dargestellter Weise kann das Kupplungselement an der Abtasteinheit oder am Mitnehmer eine Ebene aufweisen, die mit der zur Meßrichtung senkrechten Richtung einen Winkel einschließt und von einer Kugel am Mitnehmer oder an der Abtasteinheit kontaktiert wird.
Soll keine Fehlerkorrektur erfolgen, so werden die Winkel ß; ß', ß'', ß''' = 0 eingestellt; diese Winkeleinstellungen sind aber mit Toleranzen behaftet, die eine geringe unerwiinschte Korrektur zur Folge haben können. Daher werden zweckmäßigerweise auch die Winkel α; d' = 0 eingestellt; dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß der konische Bolzen 12; 12' um seine Längsachse um 1800 gedreht wird, so daß nun die die Mantellinie 15; 15' des Zylinderstifts 11; 11' berührende Mantellinie 17; 17' senkrecht zur Meßrichtung X; X' verläuft. Die Winkel α ; α' liegen vorzugsweise in einem Bereich 0° < α ; α' < 30° und die Winkel ß; (ß', ß", ß"' in einem Bereich 0° < ß; ß', ß'', ß"' < 10°.
Die Erfindung ist nicht auf lichtelektrische Meßsysteme beschränkt, sondern auch bei optischen, magnetischen, kapazitiven und induktiven Meßsystemen mit Erfolg anwendbar.
Leerseite

Claims

Ansprüche 1.) Einrichtung zur Korrektur von Maschinen- und/oder Teilungsfehlern bei Posttionsmeßsystemen von Präzisionsmaschinen und -geräten, wobei zur Messung der Position zweier relativ zueinander verschiebbarer Objekte die Teilung einer Teilungsverkörperung von einer Abtasteinheit abgetastet wird, die mit einem der zu messenden Objekte der Maschine oder des Gerätes über einen Mitnehmer verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a.) die in Längserstreckung der Teilungsverkörperung (3; 3') verlaufende Mittellinie (M; M') der Teilung (4; 4') ist gegen die Meßrichtung (X; X') der beiden Objekte (2, 8; 2', 8t) zumindest abschnittsweise geneigt; b.) die Relativbewegung der Abtasteinheit (5; 5') bezüglich der Teilungsverkörperung (3; 3') erfolgt parallel zur Mittellinie (M; M') der Teilung (4; 4'); c.) die Abtasteinheit (5; 5') und der Mitnehmer (9; 9') sind über Kupplungselemente (11, 12; 11', 12') miteinander gekoppelt, die derart ausgebildet sind, daß sich bei einer Relativbewegung des Mitnehmers (9; 9'> bezüglich der Teilungsverkörperung (3; 3') eine Relativbewegung zwischen den beiden Kupplungselementen (11, 12; ii', 12') ergibt, die eine korrigierende Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit (5; 5') und der Teilungsverkörperung (3; 3') in Längserstreckung derselben bewirkt.
2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie (M) der Teilung (4) über die gesamte Meßlänge gegen die Meßrichtung (X) um einen konstanten kleinen Winkel (ß) geneigt ist.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinie (M') der Teilung (4') in wenigstens zwei Bereichen (A, B, C) der Teilungsverkörperung (3') gegen die Meßrichtung (X') um unterschiedliche kleine Winkel (ß', n", ß"') geneigt ist.
4.) Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (ß; B', ß'', ß''') in einem Bereich 0# < ß; ß', ß", ß"' < 10° liegen.
3.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kupplungselemente (11, 12; 11', 12') an der Abtasteinheit (5; 5').und am Mitnehmer (9; 9') an zwei sich kreuzenden Mantellinien (15, 16; 15', 16') berühren und daß die Mantellinie (15, 16; 15', 16') eines der Kupplungselemente (11, 12; 11', 12'). mit der zur Meßrichtung (X; X') der Objekte (2, 8; 2', 8') senkrechten Richtung (Y; Y') einen Winkel (α; α') einschließt.
6.) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α; α')in einem Bereich 0° < α; d' < 30° liegen.
7.) Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (11; 11') an der Abtasteinheit (5; 5') oder das Kupplungselement (12; 12') am Mitnehmer (9; 9') aus einem konischen Bolzen gebildet wird, dessen Mantellinie (15, 16; 15', 16') mit der Richtung (Y; Y') den Winkel (α ; α') einschließt, und daß das Kupplungselement (12; 12') am Mitnehmer (9; 9') oder das Kupplungselement (11; 11') an der Abtasteinheit (5; 5') aus einem senkrecht dazu angeordneten Zylinderstift besteht.
8.)'Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement an der Abtasteinheit oder am Mitnehmer aus einem konischen Bolzen gebildet wird, dessen Mantellinie mit der zur Meßrichtung der Objekte senkrechten Richtung einen Winkel einschließt, und daß das Kupplungselement am Mitnehmer oder an der Abtasteinheit aus einer Rolle besteht, deren berührende Mantellinie parallel zur Drehachse verläuft.
9.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement an der Abtasteinheit oder am Mitnehmer eine Ebene aufweist, die mit der zur Meßrichtung der Objekte senkrechten Richtung einen Winkel einschließt und von einer Kugel am Mitnehmer oder an der Abtasteinheit kontaktiert wird.
10.) Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wirksamwerden der Fehlerkorrektur der konische Bolzen (12; 12') um seine Längsachse um 1800 schwenkbar ist, so daß seine um den Winkel (A (oC ; gegen die Richtung (Y; Y') geneigte Mantellinie (16; 16l) die Mantellinie (15; 15') des Zylinderstifts (11; 11') kontaktiert.