DE4111873C2 - Meßeinrichtung an einer Werkzeugmaschine zum Bestimmen des jeweiligen Standorts eines beweglichen Bauteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung an einer Werkzeugmaschine zum Bestimmen des jeweiligen Standorts eines beweglichen Bauteils mit einem Inkrementalmaßstab, der Inkremente für die Wegmessung auf wenigstens einer Spur sowie wenigstens eine Markierung für einen Referenzpunkt auf wenigstens einer weiteren Spur aufweist, und einer demgegenüber beweglichen, opto-elektronischen Abtasteinheit, wobei sich Maßstab und Abtasteinheit an zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen der Werkzeugmaschine befinden.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, beispielsweise für die lineare Längenmessung des Verfahrweges einer Komponente an dieser Komponente eine optoelektronische Baugruppe anzuordnen, die sich entlang eines Längenmaßstabes, meist eines Inkremental-Maßstabes, die an der feststehenden Baugruppe befestigt ist, entlang bewegt.

Üblicherweise handelt es sich dabei um einen Glas-Maßstab, auf dem sich durchsichtige und geschwärzte Bereiche abwechseln. Die optoelektronische Einheit weist eine Lichtquelle auf, die den Glas-Maßstab durchstrahlt und wobei bei Bewegung der Einheit entlang des Glas-Maßstabes diese Durchstrahlung immer wieder von den geschwärzten Bereichen des Glasmaßstabes unterbrochen wird. Da jeder Wechsel von einem lichtdurchlässigen zu einem geschwärzten Bereich einer Längeneinheit entspricht und die Bewegungsrichtung ebenfalls festgehalten wird, ist durch Addierung und Subtrahierung der jeweils zurückgelegten Längeneinheiten - ausgehend von einem Referenzpunkt - der jeweilige Standort der beweglichen Baugruppe nach zeitgleicher Auswertung der Signale durch eine Recheneinheit bekannt.

Da eine Längenmessung teilweise im 1/1000 mm-Bereich gefordert ist und geschwärzte Bereiche in dieser Feinheit nicht auf dem Längenmaßstab aufgebracht werden können, ist diese Spur für die Wegmessung in mehrere Teilspuren unterteilt, auf denen jeweils ein Wechsel von einem lichtdurchlässigen zu einem geschwärzten Bereich versetzt zueinander stattfindet. Durch parallele Abtastung dieser Teilspuren und Vergleich der Signale kann dadurch eine Wegmessung erzielt werden, die eine höhere Auflösung besitzt als die Auflösung auf einer der Teilspuren für sich betrachtet.

Zusätzlich zu dieser Wegmessung ist es bei Werkzeug­ maschinen gefordert, aus Sicherheitsgründen mit Hilfe signalgebender Elemente die Referenzlage der zueinander beweglichen Bauteile, also beispielsweise des Bettschlittens gegenüber dem Maschinenbett, zu charakterisieren. Falls in der Wegmessung der Werkzeugmaschine eine Fehlberechnung etc. erfolgt, kann die bewegliche Baugruppe einmal den gesamten Arbeitsbereich abfahren, wobei beim Überfahren des Referenzpunktes aufgrund des entsprechenden Signales die bewegliche Baugruppe angehalten wird und dadurch die beiden Baugruppen wieder in der Referenzlage zueinander angeordnet sind, die die Nullage für die von hier ab ausgehende Wegmessung darstellt.

Ebenso ist für die Extremlagen, also die Endpunkte des zulässigen Arbeitsbereiches, jeweils ein signalgebendes, eindeutiges Element vorzusehen, bei dessen Erreichen der Vorschub für die sich bewegende Einheit automatisch abgeschaltet wird, um eine Kollision mit benachbarten Baugruppen etc. zu vermeiden.

Als Sensoren für die Referenzlage und die genannten beiden Extremlagen wurden bisher entweder elektromechanische Endschalter oder berührungsfreie Endschalter verwendet. Da diese Endschalter für die entsprechenden Anlaufflächen etc. zugänglich sein müssen und sich darüber hinaus meist unterhalb des Arbeitsbereiches der Werkzeugmaschine befanden aufgrund der Lage der jeweiligen Schlitten am Maschinenbett, waren diese Sensoren auch für Verschmutzung und Beschädigung zugänglich. Dadurch konnte es immer wieder zu einem Verlassen des Arbeitsbereiches und damit Maschinenkollisionen kommen, die nicht nur die Werkzeugmaschine, sondern auch den Bediener im höchsten Maße gefährden können.

Darüberhinaus ist es aus der DE 33 25 803 A1 bekannt, auf einem gattungsgemäßen Inkrementalmaßstab auf einer Spur die Teilung für die Wegmessung und auf einer anderen Spur Referenzmarken sowie auf Wunsch zusätzliche Markierungen unterzubringen, die von einem gemeinsamen Abtastschlitten opto-elektrisch abgetastet werden.

Die Referenzmarken und auch die ggf. aufgebrachten zusätzlichen Markierungen sind jedoch als Punktmarkierungen aufgebracht, so daß die aktuelle Lage der beweglichen Einheit der Werkzeugmaschine nur aufgrund der laufenden Addition und Subtraktion der erfolgten Verfahrwege nach dem Verlassen des Referenzpunktes bekannt wird. Sollte durch eine Störung dieses Weiterzählen unterbrochen werden, kann die aktuelle Position der beweglichen Einheit ohne erneutes Verfahren nicht definitiv festgestellt werden.

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, eine Meßeinrichtung für Werkzeugmaschinen zu schaffen, bei der die momentane Lage der beweglichen Komponente der Werkzeugmaschine auch dann jederzeit feststellbar ist, wenn seit dem letzten Anfahren des Referenzpunktes etc. nicht auf durchgängige Addition oder Subtraktion der Bewegungen der beweglichen Komponente zurückgegriffen werden kann, was durch Maschinenstopp oder Ausfall der Zieleinheit oder Verschmutzung der Wegmeßspur vorkommen kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich durch die Unteransprüche.

Dadurch, daß bei jeder der Markierungen, also Extremlagen ebenso wie Referenzpunkt, auf einer der Teilspuren ein Wechsel in der Kennzeichnung von Schwarz auf Nicht-Schwarz stattfindet, kann auch bei Stillstand der relativ zueinander beweglichen Bauteile, nämlich Inkrementalmaßstab und Abtasteinheit, durch die ablesbare statische Information jeder einzelnen Spur eindeutig die momentane Relativlage der beiden Bauteile zueinander bestimmt werden.

Da die beiden Bereiche jeweils außerhalb der einzelnen Extremlagen durch unterschiedliche Bereichsmarkierungen repräsentiert werden, die sich zusätzlich auch von den Markierungen der Bereiche innerhalb des Arbeitsbereiches unterscheiden, so ist beim Überfahren einer Extremlage - was trotz Schubabschaltung aufgrund der Massenträgheit der Maschinenkomponenten möglich ist - auch ohne Bewegung der Maschinenkomponenten immer klar, auf welcher Seite sich die bewegliche Einheit außerhalb des Arbeitsbereiches befindet.

Wird auf diese Weise eine Lage links außerhalb des Arbeitsbereiches festgestellt, so wird für das Zurückfahren in den Arbeitsbereich automatisch eine Bewegungsrichtung nach rechts vorgegeben. Damit wird vermieden, daß sich außerhalb des Arbeitsbereiches befindliche Maschinenkomponenten noch weiter in den Kollosionsbereich hineinfahren.

Die Extremlagen werden damit durch den Wechsel einer der Bereichsmarkierungen innerhalb des Arbeitsbereiches, also links oder rechts des Referenzpunktes, zu einer anderen Bereichsmarkierung außerhalb eines der Extrempunkte repräsentiert. Somit ist für eine eindeutige Erkennung, in welchem Bereich sich die bewegliche Maschinenkomponente befindet, die zweite Spur des Maßstabes in vier Bereiche einzuteilen, die eine jeweils unterschiedliche Markierung aufweisen, wobei der Wechsel jeweils an den beiden Extrempunkten des Arbeitsbereiches und dem Referenzpunkt stattfindet.

Wie bei den bekannten Inkremental-Meßstäben für die Wegemessung befindet sich dabei der Maßstab in einem gekapselten Gehäuse, in welches ein Ausleger des Abtastschlittens durch einen weitestgehend abgedichteten Schlitz, der in der Bewegungsrichtung der beweglichen Maschinenkomponente verläuft, hineinragt. Zusätzlich ist das Innere des Gehäuses mit Überdruck zwangsbelüftet, so daß ein Eindringen von Staubteilchen etc. durch die Dichtungen in das Gehäuse vermieden wird. Der Ausleger trägt in diesem Fall sowohl die Lichtquelle bzw. Lichtquellen als auch die wenigstens zwei separaten Abtasteinheiten für die beiden Spuren des Maßstabes.

Obwohl eine derartige Vorrichtung für die Standort­ bestimmung vorzugsweise für Linearbewegungen an Werkzeug­ maschinen geeignet ist, kann in gleicher Weise eine rotatorische Bewegung auf diese Art und Weise ebenfalls überwacht werden, indem beispielsweise der Maßstab anstelle von linearen Inkrementen Winkelinkremente aufweist. Für die Wegemessung von Winkelbewegungen mit Hilfe mehrerer, koaxial angeordneter Teilspuren, ist bisher der sog. Graycode bereits bekannt, bei dem sich die Markierungen auf den einzelnen Teilspuren, die dann natürlich auch separat abgetastet werden müssen, in der bereits beschriebenen Art und Weise überlappen zur Erzielung einer Auflösung für die Wegemessung, die feiner ist als die Auflösung einer einzelnen der Teilspuren.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Werkzeugmaschine mit dem Bettschlitten,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der einzelnen Spuren des Maßstabes und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des im Gehäuse aufgenom­ menen Längenmaßstabes an der Werkzeugmaschine.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Werkzeugmaschine mit einem Maschinenbett 31, auf dessen Oberseite Führungsbahnen 22 angeordnet sind, auf welchen ein Bettschlitten 3 in Längsrichtung der Werkzeugmaschine verfahrbar ist. Der Bettschlitten 3 wird mittels einer üblichen Gewindespindel 21, die von einem Vorschubmotor 5 angetrieben wird, verfah­ ren.

Seitlich an dem Bett 31 der Werkzeugmaschine ist der Glas­ maßstab 6 befestigt, der in einem Gehäuse 7 gekapselt ist. Am Bettschlitten 3 ist ein Abtastschlitten 4 befestigt, dessen Ausleger 10 - wie in Fig. 3 zu erkennen - durch einen Schlitz 14, der sich in Bewegungsrichtung des Bett­ schlittens 3 entlang des Gehäuses 7 erstreckt, in das Ge­ häuse 7 hinein erstreckt. Um das Eindringen von Schmutz­ teilchen in das Gehäuse durch den Schlitz 14 zu erschweren, weist dieser eine Dichtung 13 auf.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist das Gehäuse 7 am Bett 31 der Werkzeugmaschine befestigt. Im Inneren befindet sich der gläserne Maßstab 6 mit seinen beiden Spuren 1 und 2, die wiederum in Teilspuren 1a und 1b bzw. 2a und 2b unterteilt sind, wie besser aus Fig. 2 ersichtlich. Hinter dem Maßstab 6 sind die Abtasteinheiten 8 auf der Höhe der jeweiligen Teilspuren angeordnet, die das Auftreffen der Lichtstrahlen aus der gemeinsamen Lichtquelle 12 registrieren, die sich auf der anderen Seite des Maßstabes 6 befinden.

Anstelle der mit dem Abtastschlitten 4 verbundenen Abtasteinheiten 8 kann auch ein Sensorbereich verwendet werden, der fest mit der Rückseite des Maßstabes 6 verbunden ist und dessen Längenabmessung hat, oder es kann ein Reflektor verwendet werden, so daß die Abtasteinheiten 8 neben der Lichtquelle auf der gleichen Seite des Maßstabes sitzen.

Im vorliegenden Fall werden alle Abtasteinheiten 8 aus nur einer Lichtquelle 12, die - parallel zu den jeweiligen Spuren - auf dem innerhalb des Gehäuses 7 liegenden Teil des Auslegers 10 des Abtastschlittens 4 angeordnet ist, der am Bettschlitten 3 befestigt ist, bestrahlt und auch die damit gekoppelten Abtasteinheiten 8 an den Spuren 1 und 2 entlang bewegt.

In Fig. 3 ist ferner die Zuführung 11 für die Zwangsbelüf­ tung zu erkennen, die das Innere des Gehäuses 7 unter einem ständigen Überdruck hält, wobei ein Entweichen der Luft nur durch die Dichtung 13 des Schlitzes 14 und evtl. andere un­ dichte Stellen des Gehäuses 7 möglich ist, so daß ein Eindringen von Schmutzteilchen äußerst unwahrscheinlich ist, sofern die durch die Zuführung 11 eingeblasene Luft sauber ist.

Fig. 2 stellt im oberen Bereich die beiden Spuren 1 und 2 dar, von denen die Spur 1 der Wegmessung und die Spur 2 der Lagebestimmung des beweglichen Teiles der Werkzeugmaschine dienen.

Spur 1 ist in die beiden Teilspuren 1a und 1b unterteilt, die in Längsrichtung jeweils einen gleichmäßigen Wechsel geschwärzter Inkremente 15 und durchsichtiger Inkremente 16 aufweisen, die jeweils so schmal wie möglich ausgebildet werden, um eine möglichst hohe Meßgenauigkeit zu erzielen.

Zur weiteren Verbesserung der Meßgenauigkeit ist die andere Halbspur 1b mit der gleichen Abfolge von geschwärzten und lichtdurchlässigen Inkrementen 15, 16 ausgestattet, die jedoch um die halbe Breite eines Inkrementes gegenüber der oberen Halbspur 1a versetzt sind. Durch getrennte Abtastung der beiden Halbspuren 1a und 1b und Vergleich der Signale ergibt sich durch die Parallelabtastung mehrerer Teil­ spuren, für die auch der sog. Graycode bekannt ist, eine Genauigkeit der Wegmessung, die über der Breite der einzelnen Inkremente 15, 16 liegt.

Ebenso ist es möglich, für die Halbspuren 1a und 1b die gleiche, fluchtende Strichkodierung zu verwenden, die diesen zugeordneten Abtasteinheiten 8 jedoch um z. B. eine halbe Strichbreite in Längsrichtung zueinander zu versetzen.

Unterhalb der Spur 1 ist die Spur 2 für die Standortbe­ stimmung dargestellt, die ebenfalls in Teilspuren 2a und 2b unterteilt ist.

Da der gesamte Verfahrbereich 23 die beiden Extremlagen des zulässigen Arbeitsbereiches 24 und den innerhalb des Arbeitsbereiches 24 liegenden Referenzpunkt 25 aufweisen, ergeben sich innerhalb des Verfahrbereiches 23 vier unter­ schiedliche Bereiche, nämlich Bereich

A: Links der linken Extremlage,
B: zwischen der linken Extremlage und dem Referenzpunkt 25,
C: zwischen dem Referenzpunkt 25 und der rechten Extremlage und
D: rechts der rechten Extremlage.

Bei einer nur digitalen Erkennungsmöglichkeit des Sensorbe­ reiches 8 (lichtdurchlässig/geschwärzt) sind für die unter­ schiedliche Kennzeichnung von vier Bereichen zwei Parameter ausreichend, und damit die Unterteilung der zweiten Spur in zwei Teilspuren 2a und 2b.

Die Kennzeichnung der einzelnen Bereiche A, B, C, D könnte damit wie in der zweiten Spur dargestellt aussehen:

Im Bereich A sind beide Teilspuren 2a und 2b geschwärzt, im Bereich B ist Teilspur 2a geschwärzt, während Teilspur 2b durchsichtig ist, im Bereich C ist Teilspur 2a durchsichtig und Teilspur 2b geschwärzt, und im Bereich D sind beide Teilspuren 2a und 2b lichtdurchlässig.

Damit kann auch bei stillstehendem Abtastschlitten 4 durch Betrachtung des jeweiligen Zustandes der beiden Teilspuren 2a und 2b jederzeit eine Aussage über den Standort der be­ weglichen Einheit bzw. des damit verbundenen Abtastschlit­ tens 4 vorgenommen werden.

Die einzelnen Teilspuren 1a, 1b bzw. 2a, 2b können ent­ weder mit jeweils einer geringfügig verschwenkbaren Abtasteinheit 12 oder durch getrennte, nebeneinander ange­ ordnete Abtasteinheiten für jede Teilspur abgetastet werden.

Der Wechsel der Markierungen zwischen den Bereichen A und B bzw. B und C bzw. C und D stellt damit das signalgeben­ de Element dar, welches der Lage des Referenzpunktes 25 bzw. der beiden Extremlagen 26 und 27 entspricht.

Claims (4)

1. Meßeinrichtung an einer Werkzeugmaschine zum Bestimmen des jeweiligen Standorts eines beweglichen Bauteils mit einem Inkrementalmaßstab, der Inkremente für die Wegmessung auf wenigstens einer Spur sowie wenigstens eine Markierung für einen Referenzpunkt auf wenigstens einer weiteren Spur aufweist, und einer demgegenüber beweglichen, opto-elektronischen Abtasteinheit, wobei sich Maßstab und Abtasteinheit an zwei relativ zueinander beweglichen Bauteilen der Werkzeugmaschine befinden, dadurch gekennzeichnet, daß
der gesamte Meßbereich des Maßstabes (6) durch den Referenzpunkt (25) und zwei maximal zulässige Extremlagen (26, 27) der beiden Bauteile zueinander in Bereiche unterteilt ist und
der Übergang zwischen den Bereichen durch einen Wechsel der Kennzeichnung zwischen Schwarz und Nicht-Schwarz auf je einer der Teilspuren (2a, 2b) für die Bereichskennzeichnung markiert ist, so daß auch bei stillstehender Abtasteinheit (4) jederzeit zu erkennen ist, in welchem der Bereiche sich die Abtasteinheit befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der gesamte Meßbereich des Maßstabes (6) in vier Bereiche A bis D unterteilt ist, und
der Übergang zwischen den Bereichen A, B, C und D durch einen Wechsel der Kennzeichnung zwischen Schwarz und Nicht- Schwarz auf je einer von zwei Teilspuren (2a, 2b) für die Bereichskennzeichnung markiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Maßstab (6) in einem gekapselten Gehäuse (7) mit einem in Bewegungsrichtung verlaufenden, abgedichteten Schlitz (14) befindet, durch welchen ein Ausleger (10) eines die Abtasteinheit tragenden Abtastschlittens (4) in das Gehäuse (7) hineinragt und daß das Innere des Gehäuses (7) mit Überdruck belüftet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Maßstab (6) um einen linearen Maßstab handelt.