DE19804666C1 - System to determine center point position and rotational position of cylindrically designed machine tool table; has laser source and piezoelectric actuator also mirror and position detector - Google Patents

System to determine center point position and rotational position of cylindrically designed machine tool table; has laser source and piezoelectric actuator also mirror and position detector

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Abstract

The system has two independent laser measuring systems, the results of which are numerically combined using a computer to give an overall output. The center point of the circular machine tool table (1) is determined, and used to determine the rotational position of the table. The system includes individual measuring units, a laser source (2), a mirror (3), a piezoelectric actuator (4), a differential amplifier (9) and a double photodiode (8).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Mittelpunktsposition und der Drehlage von zylindrisch ausgebildeten Werkzeugmaschinentischen.The invention relates to a device for determining the center position and the rotational position of cylindrical machine tool tables.

Bei der mechanischen Bearbeitung von Werkstücken wurden in der zurückliegenden Zeit insbesondere die Teilprozesse wie das Zuführen von Werkstücken zur Bearbeitungsmaschine, das Positionieren des Werkstückes und das Spannen des zu bearbeitenden Werkstückes auf Werkstückspannplatten weiterentwickelt. Dies wurde erforderlich, da die gesamten mechanischen Bearbeitungen in Fertigungssystemen ablaufen, in denen die entsprechenden Werkzeugmaschinen integriert sind.Mechanical processing of workpieces has been in the past in particular the sub-processes such as feeding workpieces to the Processing machine, positioning the workpiece and clamping the  machining workpiece on workpiece chucks. That was required because the entire mechanical processing in manufacturing systems run in which the corresponding machine tools are integrated.

Bei der Ausgestaltung und Bildung derartiger Fertigungssysteme steht immer im Vordergrund, die Kosten der Nebenzeiten bei der mechanischen Bearbeitung zu senken, um somit die Produktivität zu erhöhen als auch die Fertigungsmöglichkeiten zu erweitern. Diesen Forderungen entsprechend sind bereits Lösungen vorgestellt worden, die solche Vorgänge wie das Spannen, das Positionieren und das Lösen von Werkstücken auf Werkstückspannplatten betreffen.In the design and formation of such manufacturing systems is always in the Foreground to reduce the cost of idle times in mechanical processing, to increase productivity as well as expand the manufacturing possibilities. According to these demands, solutions have already been presented, such Processes such as clamping, positioning and loosening workpieces Workpiece clamping plates concern.

So beschreibt die EP 0 637 482 A1 ein Verfahren zum Positionieren eines Werkstückträgers in einer Bearbeitungsmaschine sowie zugehöriger Werkstückträger, bei dem der Werkstückträger in eine annähernd der Soll-Position entsprechende Lage gebracht und fixiert wird und das anschließend dessen Ist-Position anhand zumindest zweier, am Werkzeugträger angebrachter Referenzmarken bestimmt wird.For example, EP 0 637 482 A1 describes a method for positioning a workpiece carrier in a processing machine and associated workpiece carrier, in which the Workpiece holder brought into a position approximately corresponding to the target position and is fixed and then its actual position based on at least two, am Tool carrier attached reference marks is determined.

Das Ausmessen der im Werkstückträger eingespannten Werkstücke erfolgt an einem speziell dafür ausgerüsteten Meßplatz. Die so ermittelten Meßdaten werden auf die Bearbeitungsmaschine übertragen, die effektive Lage der Werkstücke auf der Bearbeitungsmaschine soll anhand der Position der Grenzmarken errechnet werden. Im weiteren wird ein Werkstückträger vorgeschlagen, welcher zumindest zwei in horizontalen Abstand von einander angeordneten Referenzmarken zum Erfassen seiner Lage in der x- und in der y-Richtung sowie seiner Winkellage um die z-Achse aufweist.The workpieces clamped in the workpiece carrier are measured on one specially equipped measuring station. The measurement data determined in this way are transferred to the Processing machine transfer the effective position of the workpieces on the Processing machine should be calculated based on the position of the boundary marks. in the Furthermore, a workpiece carrier is proposed, which has at least two in horizontal distance from each other arranged reference marks for detecting its Position in the x and y directions and its angular position about the z axis.

Die DE 39 14 849 A1 bezieht sich auf ein auf einem ebenen Tisch in zwei Dimensionen verschiebbares Höhenmeßgerät, mit dem die z-Koordinate des Höhenmeßtasters dabei von einem internen Glasmaßstab ermittelt wird. Die Position der Antastsäule in x- und y-Koordinate wird entweder von zwei Laser-Interferometern von zwei Festpunkten aus bestimmt, die hierzu jeweils eine Längenmessung ausführen. Dadurch ergibt sich eine Position der Höhenmeßsäule in der Ebene. Ferner sieht diese Lösung den Einsatz eines einzigen Drehgebers für die Winkelerfassung eines Meßarmes von einer festen Position aus vor, welcher mit einem weiteren längenmeßtechnischen Inkrementalsystem ausgerüstet ist, so daß hier die Bestimmungssituation entsteht, durch Entfernung von einem Punkt und Winkel dieser Achse diese Position exakt zu erfassen.DE 39 14 849 A1 relates to a on a flat table in two dimensions Slidable height measuring device, with which the z coordinate of the height measuring probe is determined by an internal glass scale. The position of the probe column in x and y coordinate is either from two laser interferometers from two fixed points determined, which each carry out a length measurement. This results in a Position of the height measuring column in the plane. This solution also sees the use of a single encoder for the angle detection of a measuring arm from a fixed position  from before, which with another length measurement incremental system is equipped so that the determination situation arises here by removing a point and angle of this axis to capture this position exactly.

Bekannt sind ferner Lösungen nach der DD 256 910 A1 und der GB 2096 312 A, die sich einmal auf einen Maßstab für eine absolut messende Positionseinrichtung zweier relativ zueinander bewegter Maschinenteile bewegt, bezieht, bei der die wesentlichen Eigenschaften dieses Systems in der Verwendung von Schrägmarkierungen und Bezugs­ markierungen im Sichtfeld einer Sensorzeile liegen. Während die andere beschriebene Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung eines bewegten Objektes dient, wobei auf dem Objekt hierzu eine Folge von drei Exkonturen aufgebracht werden müssen, die mittels optischer Abbildung auf drei analog technische Sensorzeilen projiziert werden.Solutions according to DD 256 910 A1 and GB 2096 312 A are also known once on a scale for an absolutely measuring position device of two relative moving machine parts moved to one another, refers to the essential Features of this system in the use of bevel marks and reference markings are in the field of view of a sensor line. While the other described Device for measuring the speed of a moving object is used, wherein on the For this purpose, a sequence of three outline contours must be applied using the optical image can be projected onto three analog technical sensor lines.

Die bekannten Lösungen sind so ausgebildet, daß die Werkstückaufspannplatten zum Bearbeitungswerkzeug in horizontaler als auch in vertikaler Ebene positioniert und verfahren werden, winklige Einstellungen können nicht realisiert werden, gleichfalls können mit den bekannten vorgestellten Lösungen die notwendigen Positions- und Lagebestimmungen der einzelnen Werkzeugmaschinentische nicht bestimmt werden.The known solutions are designed so that the workpiece platens for Machining tool positioned in the horizontal as well as in the vertical plane and can be traversed, angular settings cannot be implemented either can with the known solutions presented the necessary position and The position of the individual machine tool tables cannot be determined.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Mittelpunktsposition und der Drehlage von zylindrisch ausgebildeten Werkzeugmaschinentischen, die vorzugsweise mit magnetischen Antrieben ausgerüstet sind, zu entwickeln, mit der die Erfassung der Mittelpunktsposition von Werkzeugmaschinentischen als auch ihrer Drehlage, bezogen auf eine festzulegende Ursprungsrichtung, bestimmt werden kann.The invention has for its object a device for determining the Center position and the rotational position of cylindrical Machine tool tables, preferably equipped with magnetic drives are to be developed with which the detection of the center position of Machine tool tables as well as their rotational position, based on a to be determined Direction of origin, can be determined.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.According to the invention the object is achieved by the features of claim 1.

Besondere Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Special designs and advantageous solutions are the subject of Subclaims.  

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch zwei voneinander unabhängige Laser- Meßsysteme gelöst, deren Ergebnisse mit einem Rechner numerisch zur Gesamtausgabe zusammengefaßt werden, wobei zuerst die Mittelpunktposition des Werkzeugmaschinentisches erfaßt und mit der Bekanntheit dieser Position dann die Drehlage des Werkzeugmaschinentisches bestimmt wird.According to the invention, the task is performed by two mutually independent laser Measuring systems solved, the results with a computer numerically to the total output are summarized, first the center position of the Machine tool table and then with the familiarity of this position Rotational position of the machine tool table is determined.

Die Erfassung der Mittelpunktposition des Werkzeugmaschinentisches erfolgt erfindungsgemäß nach der Reflexionsmethode mittels eines Laserstrahles, welcher mit einem Positionsdetektor, der aus einer Fotodoppeldiode besteht, im Wirkzusammenhang steht. Der reflektierte Laserstrahl trifft im Augenblick der Totalreflexion auf die Fotodoppeldiode, und das mittige Auftreffen ist dabei meßbar durch die Äquivalenz der Helligkeitssignale der beiden Hälften der Fotodoppeldiode, wobei dies unabhängig von der Stärke des Laserstrahles und der Reflektivität des am Werkzeugmaschinentisches vorgesehenen Reflexionsbandes ist. Das Differenzsignal wird analog durch einen Differenzverstärker gebildet und zur Aufzeichnung einem Transientenrecorder zugeleitet.The detection of the center position of the machine tool table takes place According to the invention by the reflection method using a laser beam, which with a position detector, which consists of a photodiode, in operative connection stands. The reflected laser beam hits the at the moment of total reflection Photo diode, and the center impact is measurable by the equivalence of Brightness signals of the two halves of the photo diode, this being independent of the strength of the laser beam and the reflectivity of that on the machine tool table provided reflection band. The difference signal is analog by a Differential amplifier formed and fed to a transient recorder for recording.

Zur Bestimmung der Drehlage des Werkzeugmaschinentisches wird ein vertikal angeordnetes Laserscanner-System eingesetzt, mittels dem ein schmaler Laserstrahl durch einen rotierenden Polygonenspiegel, einer Spiegelmühle, parallel auf einer vertikalen Bahn zyklisch von oben nach unten abgelenkt wird. Dieser Laserscanner ist außerhalb des Werkzeugmaschinentisches angebracht und strahlt diagonal durch den kreisförmigen Arbeitsraum des Werkzeugmaschinentisches und trifft auf einen gegenüber dieses Laserscanners angeordneten Fotodetektor, welcher in Form einer Zeilenkamera ausgebildet ist.To determine the rotational position of the machine tool table, a vertical arranged laser scanner system used, through which a narrow laser beam a rotating polygon mirror, a mirror mill, parallel on a vertical path is cyclically deflected from top to bottom. This laser scanner is outside the Machine tool table attached and shines diagonally through the circular Working area of the machine tool table and meets one opposite it Laser scanner arranged photodetector, which is in the form of a line camera is trained.

Um mit dem vorgestellten neuen System die Drehlage des Werkzeugmaschinentisches exakt erfassen zu können, sind unmittelbar im Bereich des zylindrischen Werkzeugmaschinentisches entsprechende Konturen und Positionscode vorgesehen bzw. eingebrannt, die vom Laserstrahl jeweils überstrichen und die Helligkeit des reflektierten Laserlichtes über entsprechende Objektive und Fotodioden aufgenommen und zur Auswertung herangezogen werden. With the new system presented, the rotational position of the machine tool table To be able to record exactly are directly in the area of the cylindrical Machine tool table provided corresponding contours and position code or burned in, each swept by the laser beam and the brightness of the reflected Laser light recorded via appropriate lenses and photodiodes and for Evaluation can be used.  

Die Erfindung soll mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with the following embodiment.

Die dazugehörige Zeichnung zeigt inThe accompanying drawing shows in

Fig. 1: die zur Bestimmung der Mittelpunktsposition notwendigen Einrichtungen, Fig. 1: the information necessary for determining the center position means,

Fig. 2: eine prinziphafte Anordnung der Elemente und deren Zusammenspiel gemäß Fig. 1, . FIG. 2 is a schematic of an arrangement of the elements and their interaction in accordance with Figure 1,

Fig. 3: die Anordnung eines Doppel-Laserscanners zur Erfassung des Positionscodes, FIG. 3 shows the arrangement of a double laser scanner for detecting the position code,

Fig. 4: Graphiken bzw. Diagramme für die Bestimmung des jeweiligen Positionscodes, FIG. 4 shows graphs or charts for the determination of the respective position codes,

Fig. 5: ein Fließschema zur Ermittlung der Bewegungsrichtung des inkrementalen Positionscodes. FIG. 5 is a flow chart for determining the movement direction of the incremental position codes.

In der Fig. 1 sind die einzelnen Elemente zur Bestimmung der Oberflächennormalen eines kreisförmigen Werkzeugmaschinentisches 1 schematisch dargestellt und es ist gezeigt, wie die einzelnen Systemelemente zum Werkzeugmaschinentisch 1 positioniert sind. Die Erfassung der Mittelpunktsposition des Werkzeugmaschinentisches 1 erfolgt auf der Grundlage der Reflexionsmethode mittels eines Laserstrahles, wobei zu diesem Zweck der zylindrische Werkzeugmaschinentisch 1 mit einer hochglanzpolierten zylindrischen Reflexionsbande ausgerüstet ist, was der Einfachheit halber in der Fig. 1 nicht näher dargestellt ist.In FIG. 1, the individual elements for determining the surface normal of a circular machine tool table 1 are shown schematically and it is shown how the various elements are positioned to the machine tool table 1. The detection of the center position of the machine tool table 1 takes place on the basis of the reflection method by means of a laser beam, the cylindrical machine tool table 1 being equipped for this purpose with a highly polished cylindrical reflection band, which is not shown in more detail in FIG. 1 for the sake of simplicity.

Unmittelbar zur Ausrüstung gehören die Laserquelle 2 und der mit einem Rotationsantrieb ausgerüstete Sendekopf 11, dem ein Spiegel 3, ein piezoelektrischer Drehaktor 4, ein Positionsantrieb 5 und ein Drehgeber 6 zugeordnet sind. The laser source 2 and the transmitter head 11 equipped with a rotary drive, to which a mirror 3 , a piezoelectric rotary actuator 4 , a position drive 5 and a rotary encoder 6 are assigned, belong directly to the equipment.

Unmittelbar mit dem Sendekopf 11 in Wirkverbindung steht ein Positionsdetektor 7, der, wie der komplette Sendekopf 11 in einer Nische außerhalb des Werkzeugmaschinentisches 1 angeordnet ist. Dieser Positionsdetektor 7 besteht im wesentlichen aus einer Fotodoppeldiode 8, die wiederum über einen Differenzverstärker 9 mit einem Transientenrekorder 10 verbunden ist.Immediately with the transmission head 11 in operative connection, there is a position detector 7 which, as the complete transmission head 11 is arranged in a recess outside the machine tool table. 1 This position detector 7 consists essentially of a photodiode 8 , which in turn is connected to a transient recorder 10 via a differential amplifier 9 .

Bei der Erfassung der Mittelpunktsposition wird davon ausgegangen, daß der Durchmesser des zylindrischen Werkzeugmaschinentisches 1 und seine Rundheit bekannt sind und in die Auswertesystematik einfließen.When determining the center position, it is assumed that the diameter of the cylindrical machine tool table 1 and its roundness are known and are incorporated into the evaluation system.

Der von der Laserquelle 2 ausgestrahlte Laserstrahl trifft über den Sendekopf 11 auf das am Werkzeugmaschinentisch 1 vorgesehene Reflexionsband und wird über dieses Reflexionsband auf die Fotodoppeldiode 8 reflektiert. Das mittige Auftreffen ist dabei meßbar durch die Äquivalenz der Helligkeitssignale der beiden Hälften der Fotodoppeldiode 8, unabhängig von der Stärke des Laserstrahles und der Reflektivität des Werkzeugmaschinentisches 1. Das daraus ermittelbare Differenzsignal wird dann analog über einen Differenzverstärker 9 gebildet und zur Aufzeichnung dem Transienten­ rekorder 11 zur Verfügung gestellt.The laser beam emitted by the laser source 2 strikes the reflection band provided on the machine tool table 1 via the transmission head 11 and is reflected by this reflection band onto the photo double diode 8 . The center impact can be measured by the equivalence of the brightness signals of the two halves of the photo-double diode 8 , regardless of the strength of the laser beam and the reflectivity of the machine tool table 1 . The difference signal that can be determined from this is then formed analogously via a differential amplifier 9 and made available to the transient recorder 11 for recording.

Der Sendekopf der Laserquelle 2 ist drehbar gelagert, und seine absolute Position sowie die Position des Positionsdetektors 7 sind durch vorhergehende Kalibriervorgänge über eine Auswerteelektronik bekannt.The transmitter head of the laser source 2 is rotatably mounted, and its absolute position and the position of the position detector 7 are known from previous calibration processes via an electronic evaluation system.

Das Verfahren läuft derart weiter ab, daß die Winkellage des Sendekopfes 11 nun durch einen Drehgeber 6 aufgenommen wird, dessen Winkelauflösung bei 3,6 Millionen Inkremente pro Vollkreis liegen.The method continues in such a way that the angular position of the transmitter head 11 is now recorded by a rotary encoder 6 , the angular resolution of which is 3.6 million increments per full circle.

Der zum Sendekopf 11 gehörende Positionsantrieb 5 gewährleistet, daß der Sendekopf 11 schrittweise die Drehlage des Laserstrahles verändern kann, damit dieser auf die Fotodoppeldioden 8 des Positionsdetektors 7 trifft.The position drive 5 belonging to the transmission head 11 ensures that the transmission head 11 can gradually change the rotational position of the laser beam so that it strikes the photo-double diodes 8 of the position detector 7 .

Zum anderen wird in Überlagerung dazu eine weitere Winkelvariation durch einen schnell arbeitenden piezoelektrischen Drehaktor 4 bewerkstelligt. Der gleichfalls im Sendekopf 11 vorgesehene hochauflösende Drehgeber 6 ist mechanisch mit dem System so verbunden, daß er sowohl die Position der Schrittpositionierung sowie des piezoelektrischen Positionierelementes 4 erfassen kann.On the other hand, a superimposed angle variation is brought about by a fast-working piezoelectric rotary actuator 4 . The high-resolution rotary encoder 6, which is also provided in the transmitter head 11 , is mechanically connected to the system in such a way that it can detect both the position of the step positioning and the piezoelectric positioning element 4 .

Mittels dieser Steuerung der Drehachse wird der Laserstrahl nun so ausgerichtet, daß beide Hälften der Fotodoppeldiode 8 gleich stark angestrahlt werden. Aus der Drehlage des Laserstrahles heraus kann nun numerisch eine Schar von Winkelhalbierenden ermittelt werden, deren Normale abhängig von der Entfernung des Werkzeugmaschinentisches 1 zum Sendekopf 11 ist.By means of this control of the axis of rotation, the laser beam is now aligned so that both halves of the photo-double diode 8 are illuminated with the same intensity. From the rotational position of the laser beam, a family of bisectors, the normal of which depends on the distance of the machine tool table 1 from the transmitter head 11 , can now be numerically determined.

Dies ist schematisch in der Darstellung gemäß Fig. 2 gezeigt.This is shown schematically in the illustration according to FIG. 2.

Um keine aufwendige Nachregelung durchführen zu müssen, wird der Laserstrahl um seine Mittelposition mit dem piezoelektrischen Drehaktor 4 durch den Spiegel 3 hin- und hergescannt und überstreicht damit zyklisch die beiden Hälften der Fotodiode 8 des Positionsdetektors 7. Die Differenz dieser beiden Spannungssignale wird im Transientenrecorder 10 abgetastet und mit einem AD-Wandler und einem schnellen Speicher zusammen mit der Drehlage als ein winkelgetriggertes Digitalsignal aufgezeichnet. Danach wird es mit einem Rechner durch Interpolationsalgorithmen auf den Punkt der idealen Mittelposition hin ausgewertet. Diese Interpolation führt zu einer weiteren Steigerung der Winkelauflösung der Meßeinrichtung.In order not to have to carry out complex readjustment, the laser beam is scanned back and forth by the mirror 3 around its central position with the piezoelectric rotary actuator 4 and thus sweeps cyclically over the two halves of the photodiode 8 of the position detector 7 . The difference between these two voltage signals is sampled in the transient recorder 10 and recorded with an AD converter and a fast memory together with the rotational position as an angle-triggered digital signal. It is then evaluated with a computer using interpolation algorithms to determine the ideal center position. This interpolation leads to a further increase in the angular resolution of the measuring device.

Wenn sich Veränderungstendenzen in der Position des runden Werkzeugmaschinen­ tisches 1 ergeben, stellt der Positionsantrieb 5 in groben Schritten den Winkel des Laserstrahles nach, regelt ihn aber nicht aus, sondern positioniert nur neu, um mit dem Scanning-Verfahren um den neuen Mittelpunktswinkel herum die Messung durchführen zu können. Dies führt zur Vermeidung von regelungstechnisch bedingten Meßunsicherheiten in der Nachführung des Laserstrahles.If there are any tendencies to change the position of the round machine tool table 1 , the position drive 5 adjusts the angle of the laser beam in rough steps, but does not regulate it, but only repositions it so that the measurement can be carried out around the new center angle using the scanning method to be able to perform. This leads to the avoidance of control-related measurement uncertainties in the tracking of the laser beam.

Durch die Anordnung einer zweiten derartigen Meßeinrichtung, bestehend aus dem Sendekopf 11 und dem Positionsdetektor 7 und ebenfalls am Umfang des Werkzeugmaschinenraumes plaziert, kann eine zweite Normalenwinkelinformation, dargestellt als eine Schar von Winkelhalbierenden in Abhängigkeit von der Entfernung, angegeben werden. Numerisch kann aus diesen beiden mathematischen Beschreibungen dann unter Annahme der idealen Kreisform des zylindrischen Werkzeugmaschinentisches 1 und unter Einbeziehung des bekannten Durchmessers des Werkzeugmaschinentisches 1 der Mittelpunkt bestimmt werden.By arranging a second measuring device of this type, consisting of the transmitter head 11 and the position detector 7 and also placed on the circumference of the machine tool room, a second normal angle information, represented as a family of bisectors depending on the distance, can be specified. The center point can then be determined numerically from these two mathematical descriptions, assuming the ideal circular shape of the cylindrical machine tool table 1 and including the known diameter of the machine tool table 1 .

Die Ermittlung der Drehlage des Werkzeugmaschinentisches 1 erfolgt, wie in der Fig. 3 dargestellt, über ein Laserscanner-System 12 in Verbindung mit am Umfang des Werkzeugmaschinentisches 1 angebrachten Positionscodes 19.As shown in FIG. 3, the rotational position of the machine tool table 1 is determined via a laser scanner system 12 in connection with position codes 19 attached to the circumference of the machine tool table 1 .

Das Laserscanner-System 12 besteht dabei aus dem Laser 14, einem rotierenden Polygonspiegel 13, einer sogenannten Spiegelmühle, einem Fotodetektor 15 und einem Objektiv 16. Zu diesem Laserscanner-System gehören weiterhin zwei Laser­ scanner 17, 18.The laser scanner system 12 consists of the laser 14 , a rotating polygon mirror 13 , a so-called mirror mill, a photodetector 15 and an objective 16 . This laser scanner system also includes two laser scanners 17 , 18 .

Das Laserscanner-System 12 ist dabei vertikal zum Werkzeugmaschinentisch 1 ange­ ordnet, von dem ein schmaler Laserstrahl durch eine Spiegelmühle, den Polygon­ spiegel 13, parallel auf einer vertikalen Bahn zyklisch von oben nach unten abgelenkt wird. Dieses Laserscanner-System 12 ist ebenfalls in einer Nische außerhalb des Außenkreises des Werkzeugmaschinentisches 1 untergebracht und strahlt diagonal durch den kreis­ förmigen Arbeitsraum des Werkzeugmaschinentisches 1.The laser scanner system 12 is arranged vertically to the machine tool table 1 , from which a narrow laser beam is cyclically deflected by a mirror mill, the polygon mirror 13 , in parallel on a vertical path from top to bottom. This laser scanner system 12 is also accommodated in a niche outside the outer circle of the machine tool table 1 and shines diagonally through the circular working space of the machine tool table 1 .

Um eine verfahrenstechnische Regelung zu ermöglichen, sind auf dem zylindrischen Umfang des Werkzeugmaschinentisches 1 eine weiße Spur angebracht, in die bei ihrer Herstellung schwarze Konturen eingebrannt werden. Diese Konturen bestehen aus einem oberen schwarzen Ring 20 und einem unteren schwarzen Ring 21. Des weiteren ist im Mittelbereich zwischen den Ringen 20, 21 ein Positionscode 19 eingebrannt, der in Form einer Trapezkontur ausgebildet ist, die ein Verhältnis von schrägen zu geraden Partien der Trapeze von ca. 3 : 1 aufweist. Während der Laserstrahl die gesamte Helldunkel-Kontur überstreicht, wird von einem mit einem Objektiv 14 versehener Fotodetektor 15 die Helligkeit des reflektierten Laserlichtes aufgenommen.In order to enable procedural control, a white track is provided on the cylindrical circumference of the machine tool table 1 , into which black contours are burned in during manufacture. These contours consist of an upper black ring 20 and a lower black ring 21 . Furthermore, a position code 19 is baked in the middle area between the rings 20 , 21 , which is designed in the form of a trapezoidal contour, which has a ratio of oblique to straight parts of the trapezoid of approximately 3: 1. While the laser beam sweeps the entire light-dark contour, the brightness of the reflected laser light is recorded by a photo detector 15 provided with an objective 14 .

Unter Annahme der Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit der Ablenkung des Laserstrahles erscheint zuerst ein dunkles Echo auf dem oberen schwarzen Ring 20, dann kommt der Bereich, in dem die Schräge des Trapezes vom Laserstrahl getroffen wird, und in der ein zweites Dunkelsignal auf der Partie des Trapezes vom Fotodetektor 15 aufgenommen werden kann. Das Verlassen der Trapezkontur 22 wird dann wieder durch ein weiteres Hellsignal gekennzeichnet, worauf der zweite Ring 21 erneut als ein Dunkelsignal aufgenommen werden kann.Assuming the uniformity of the speed of the deflection of the laser beam, a dark echo first appears on the upper black ring 20 , then comes the area in which the slope of the trapezoid is struck by the laser beam, and in which a second dark signal appears on the part of the trapezoid from Photo detector 15 can be recorded. Leaving the trapezoidal contour 22 is then again identified by a further bright signal, whereupon the second ring 21 can again be recorded as a dark signal.

Das Helligkeitssignal des Fotodetektors 15 während des Überstreichens der eingebrannten Konturen wird über einen AD-Wandler mit einer schnellen Speichereinheit zusammen mit einer hochauflösenden Zeitmessung aufgenommen und im Nachhinein ausgewertet. Das für die Messung entscheidende Merkmal ist zum einen die Zeitdauer zwischen dem Verlassen des ersten dunklen Ringes 20 und dem Auftreffen auf die Peripherie des zweiten dunklen Ringes 21, wobei der Abstand dieser beiden Ringe 20, 21 voneinander durch einen Einmeßvorgang bekannt ist. Danach wird das Auftreffen auf die Schräge des jeweiligen Trapezes und das Verlassen der Trapezkontur 22 in Relation zu dieser Gesamtstrecke bestimmt. Hierdurch ist von der nachgeschalteten Rechnereinheit ermittelbar, bei welchem Prozentsatz des Verlaufes der Schräge der Laserstrahl die Trapezkontur 22 getroffen hat.The brightness signal of the photodetector 15 during the sweeping of the burned-in contours is recorded via an AD converter with a fast storage unit together with a high-resolution time measurement and evaluated afterwards. The decisive feature for the measurement is, on the one hand, the length of time between leaving the first dark ring 20 and hitting the periphery of the second dark ring 21 , the distance between these two rings 20 , 21 being known from one another by a measuring process. The impact on the slope of the respective trapezoid and the leaving of the trapezoidal contour 22 in relation to this total distance are then determined. As a result, the downstream computer unit can determine the percentage of the slope of which the laser beam has hit the trapezoidal contour 22 .

Um mögliche Ungleichförmigkeiten in der Geschwindigkeit der Anlenkung des Laserstrahles auszugleichen, wird noch eine Geschwindigkeitsmessung auf dem oberen und dem unteren dunklen Ring 20, 21 vorgenommen. Hiermit können Korrekturen der Ablenkgeschwindigkeit des Lasers bis hin zu einer einfach beschleunigten Bewegung realisiert werden.In order to compensate for possible irregularities in the speed of the articulation of the laser beam, a speed measurement is also carried out on the upper and lower dark rings 20 , 21 . This can be used to correct the deflection speed of the laser up to a simply accelerated movement.

Die Trapezkontur 22 selbst ist 720 mal am Umfang des Werkzeugmaschinentisches 1 angebracht und meßbar ist dabei das Auftreffen des Laserstrahles auf der Schräge des Trapezes in Relation zu seiner Gesamthöhe, aber noch nicht die absolute Drehlage des Werkzeugmaschinentisches 1. Um dieses möglich zu machen, wird ein zweiter gleichartiger Laserscanner 18 daneben angebracht, der synchron zum ersten Laser­ scanner 17 in einem Abstand von ca. 10 mm einen zweiten gleichartig abgelenkten Laserstrahl aussendet. Beide Laserstrahlen arbeiten wechselweise, so daß immer nur eines der beiden Systeme aktiv ist. Der zweite Laserstrahl trifft nun in gleicher Weise die schwarzen Referenzringe 20, 21 und die Trapezkontur 22, und beide Signale werden vom selben Fotodetektor 15 wechselweise aufgenommen.The trapezoidal contour 22 itself is attached 720 times to the circumference of the machine tool table 1 and the impact of the laser beam on the slope of the trapezoid in relation to its total height can be measured, but not yet the absolute rotational position of the machine tool table 1 . To make this possible, a second laser scanner 18 of the same type is attached next to it, which emits a second laser beam deflected in a similar manner to the first laser scanner 17 at a distance of approximately 10 mm. Both laser beams work alternately, so that only one of the two systems is active at a time. The second laser beam now strikes the black reference rings 20 , 21 and the trapezoidal contour 22 in the same way, and both signals are picked up alternately by the same photodetector 15 .

Liegt nun einer den beiden Strahlen auf den ebenen Konturen des Trapezes, das heißt, es wird von ihm keine Drehbewegung erfaßt, wird nur der andere Laserstrahl ausgewertet und führt zu einem eindeutigen Ergebnis. Liegen beide Laserstrahlen auf einer schrägen Kontur, so kann in diesem Falle die Drehrichtung dadurch erkannt werden, ob bei Veränderung der Drehlage die Relation der beiden Laserscanner 17, 18 zueinander gleichsinnig oder gegensinnig ist. Liegt ein Laserstrahl auf einer ebenen Fläche, so ist aus der Einspeicherung des letzen Zustandes die Drehrichtung jederzeit erkennbar.If one of the two beams now lies on the flat contours of the trapezoid, that is to say it does not detect any rotary movement, only the other laser beam is evaluated and leads to a clear result. If both laser beams lie on an oblique contour, then in this case the direction of rotation can be recognized as to whether the relationship of the two laser scanners 17 , 18 to one another is in the same direction or in opposite directions when the rotational position changes. If a laser beam lies on a flat surface, the direction of rotation can be recognized at any time by storing the last state.

Durch das Teilungsverhältnis der schrägen zu den geraden Partien der Trapezkontur 22 von ca. 3 : 1 ist immer sichergestellt, daß der eine Laserstrahl eher wieder auf eine Schräge trifft, bevor der andere eine Schräge verlassen hat.The division ratio of the oblique to the straight portions of the trapezoidal contour 22 of approximately 3: 1 always ensures that one laser beam hits an incline again before the other has left an incline.

Durch diese Anordnung kann also jederzeit eine Bewegungsrichtungserkennung durchgeführt werden.With this arrangement, a direction of movement can be detected at any time be performed.

Der Ablaufplan dieser Auswertung ist in dem Schema nach Fig. 5 dargestellt.The flow chart of this evaluation is shown in the diagram according to FIG. 5.

Die Entfernung und der Oberflächenwinkel des Werkzeugmaschinentisches 1 zum Laserscanner-System 12 ist dem gesamten System unbekannt, was wiederum bedeutet, daß eine perspektivische Verzerrung der Trapezkontur 22 vorliegt. Daher wird unter Ausnutzung der Information der Mittelpunktlage des Werkzeugmaschinentisches 1 die Oberflächennormale am Auftreffpunkt der jeweiligen Laserstrahlen ermittelt. Wird nun diese Verzerrung mit in das Ergebnis hineingerechnet, so wird datentechnisch eine Entzerrung der perspektivischen Fehlabbildung möglich, und zusammen ergibt sich hiernach ein sehr hochauflösendes inkrementales Meßsystem für die Erfassung der Drehlage des Werkzeugmaschinentisches 1.The distance and the surface angle of the machine tool table 1 to the laser scanner system 12 is unknown to the entire system, which in turn means that there is a perspective distortion of the trapezoidal contour 22 . Therefore, the surface normal at the point of incidence of the respective laser beams is determined using the information of the center position of the machine tool table 1 . If this distortion is now included in the result, data distortion correction is possible in terms of data technology, and together this results in a very high-resolution incremental measuring system for detecting the rotational position of the machine tool table 1 .

Zur Kalibrierung der absoluten Position der beiden Laserscannerstrahlen 17; 18 sind im Unterflurbereich des Werkzeugmaschinentisches 1 auf der Gegenseite ein Fotodetektor in Form einer Zeilenkamera angebracht, die die genaue Ausrichtung der Laserstrahlen aufnimmt und damit zwei absolute Linien im kreisförmigen Arbeitsraum beschreiben kann. To calibrate the absolute position of the two laser scanner beams 17 ; 18 , in the underfloor area of the machine tool table 1, a photodetector in the form of a line camera is attached on the opposite side, which detects the precise alignment of the laser beams and can therefore describe two absolute lines in the circular working space.

Die Drehlage wird nun in Referenz zu dieser durch die Laser repräsentierten Linien im Raum berechnet.The rotational position is now in reference to this line represented by the laser in the Space calculated.

Zur Kalibrierung der Mittelposition wird der Werkzeugmaschinentisch 1 an mehreren Positionen in x und y-Richtung des Arbeitsraumes positioniert. Die Ist-Position wird dabei mittels eines Laser-Interferometers, ausgerüstet mit Winkelschrittgebern, mindestens um eine Zehnerpotenz besser ermittelt und zwecks eines Kalibrierzyklusses der Meßanlage übermittelt. Durch Vergleich mit dem Ergebnis aus der Meßanlage ist es möglich, die Ausgangspositionen von Drehachsen der Laserköpfe der Laserquelle 2 und der Fotodoppeldioden 8 zu ermitteln. Vorteilhaft ist, daß dieser Vorgang nur bei Wartung oder Veränderungen an der Werkzeugmaschine wiederholt werden muß.To calibrate the center position, the machine tool table 1 is positioned at several positions in the x and y direction of the working area. The actual position is better determined by at least a power of ten using a laser interferometer equipped with angular step transmitters and transmitted to the measuring system for the purpose of a calibration cycle. By comparing it with the result from the measuring system, it is possible to determine the starting positions of the axes of rotation of the laser heads of the laser source 2 and of the photodiode 8 . It is advantageous that this process only has to be repeated for maintenance or changes to the machine tool.

Die Kalibrierung der Drehinkremeterfassung erfolgt in Referenz einer absolut festzulegenden Ausrichtung des Werkzeugmaschinentisches 1 unter Einbeziehung der aktuellen Position. Danach wird der Werkzeugmaschinentisch 1 um einen Vollkreis gedreht und eine Matrix aufgestellt, der die mögliche Abweichungen der eingebrannten Trapezkontur 22 einmalig einlernt und zur Korrektur in einem Speicher bereithält. Die absolute Drehrichtungsreferenzposition wird dabei durch eine auf einer Seite angebrachten Markierung dargestellt, die in einem separaten Fotoelement aufgenommen und als Nullposition erkannt wird.The calibration of the rotary increment detection is carried out with reference to an absolutely definable orientation of the machine tool table 1 , including the current position. Thereafter, the machine tool table 1 is rotated around a full circle and a matrix is set up which teaches the possible deviations of the burned-in trapezoidal contour 22 once and holds them in a memory for correction. The absolute direction of rotation reference position is represented by a marking on one side, which is recorded in a separate photo element and recognized as a zero position.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Mittelpunktsposition und der Drehlage von zylindrisch ausgebildeten Werkzeugmaschinentischen (1)
  • 1. mit zwei gleichartigen Laser-Meßsystemen zur Bestimmung der Mittelpunkts­ position, die in Nischen außerhalb des zylindrischen Werkzeugmaschinen­ tisches (1) einander gegenüberliegend angeordnet sind, jeweils umfassend
    • 1. einen Sendekopf(1) mit einer Laserquelle (2),
    • 2. einen Scanspiegel (3), überlagert angetrieben von einem Positionsantrieb (5) und einem piezoelektrischen Drehaktor (4),
    • 3. einen von der Laserlichtquelle (2) ausgehenden Laserstrahl, der auf den reflektierenden Umfang des zylindrischen Werkzeugmaschinentisches (1) gerichtet ist und diesen schrittweise und überlagert durch eine Scanbewegung in einer Richtung abtastet, bis der reflektierte Laserstrahl mittig auf die Foto­ doppeldiode (8) eines Positionsdetektors (7) fällt, der in einem definierten Abstand von dem Sendekopf (11) angeordnet ist,
    • 4. einen Differenzverstärker (9), der mit dem Signalausgang der Fotodoppel­ diode (8) verbunden ist und dessen Signalausgang schaltungstechnisch mit einem Transientenrekorder (10) verbunden ist und
    • 5. einen Drehgeber (6), der die Drehstellung des Scanspiegels (3) erfaßt
    • 6. mit einer Recheneinheit, die aus den erfaßten Drehwinkeln der beiden Scan­ spiegel (3), den Flächennormalen an den Orten der Reflexion der Laserstrahlen und den Winkelhalbierenden der Reflexionswinkel zusammen mit dem bekannten Radius des zylindrischen Werkzeugmaschinentisches (1) die Mittelpunktsposition berechnet,
  • 2. mit einem Laserscanner-System (12) zur Messung der Winkellage des Werkzeugmaschinentisches (1), umfassend
    • 1. einen Positionscode (19), der am Umfang des Werkzeugmaschinentisches (1) angeordnet ist, bestehend aus einem unteren und oberen Ring (20, 21) sowie einer zwischen den beiden Ringen vorgesehenen periodischen Trapez­ kontur (22), wobei die schrägen zu den geraden Partien der Trapez­ kontur (22) im Verhältnis 3 : 1 ausgebildet sind,
    • 2. eine Markierung zur Festlegung einer Drehwinkel-Referenzposition,
    • 3. einen rotierenden Polygonspiegel (13), der mit zwei parallel geführten Laserstrahlen (17, 18) alternierend den mit dem Werkzeug­ maschinentisch (1) mitrotierenden Positionscode (19) in vertikaler Richtung in Reflexion abtastet und
    • 4. eine Auswerteeinheit, die aus den vom Auftreffort abhängigen zeitlichen Hell-Dunkel-Signalen die Werte für die Winkelstellung und Drehbewegung berechnet, wobei aus der Information der Mittelpunktsposition des Werk­ zeugmaschinentisches (1) die Oberflächennormale am Auftreffort des jeweiligen Laserstrahls (17, 18) ermittelt wird und die Bereitstellung der inkrementalen Meßsignale für die Berechnung der Drehlage und Dreh­ bewegung des Werkzeugmaschinentisches unter Beachtung der geometri­ schen Verzerrung des Positionscodes (19) erfolgt.
1. Device for determining the center point position and the rotational position of cylindrical machine tool tables ( 1 )
  • 1. with two similar laser measuring systems for determining the center position, which are arranged in niches outside the cylindrical machine tool table ( 1 ) opposite each other, each comprising
    • 1. a transmitter head ( 1 ) with a laser source ( 2 ),
    • 2. a scanning mirror ( 3 ), overlaid driven by a position drive ( 5 ) and a piezoelectric rotary actuator ( 4 ),
    • 3. a laser beam emanating from the laser light source ( 2 ), which is directed onto the reflecting circumference of the cylindrical machine tool table ( 1 ) and scans it step by step and superimposed by a scanning movement in one direction until the reflected laser beam is centered on the photo double diode ( 8 ) a position detector ( 7 ) falls at a defined distance from the transmitter head ( 11 ),
    • 4. a differential amplifier ( 9 ) which is connected to the signal output of the photodouble diode ( 8 ) and whose signal output is connected in terms of circuitry to a transient recorder ( 10 ) and
    • 5. an encoder ( 6 ) which detects the rotational position of the scanning mirror ( 3 )
    • 6. with a computing unit that calculates the center position from the detected angles of rotation of the two scanning mirrors ( 3 ), the surface normals at the locations of the reflection of the laser beams and the bisectors of the angles of reflection together with the known radius of the cylindrical machine tool table ( 1 ),
  • 2. comprising a laser scanner system ( 12 ) for measuring the angular position of the machine tool table ( 1 )
    • 1. a position code ( 19 ) which is arranged on the circumference of the machine tool table ( 1 ), consisting of a lower and upper ring ( 20 , 21 ) and a periodic trapezoidal contour ( 22 ) provided between the two rings, the oblique to the straight parts of the trapezoidal contour ( 22 ) are formed in a ratio of 3: 1,
    • 2. a marking for defining a rotation angle reference position,
    • 3. a rotating polygon mirror ( 13 ) which, with two laser beams ( 17 , 18 ) guided in parallel, alternately scans the position code ( 19 ) rotating with the machine table ( 1 ) in reflection in the vertical direction and
    • 4. an evaluation unit which calculates the values for the angular position and rotary movement from the temporal light-dark signals dependent on the point of impact, the surface normal at the point of impact of the respective laser beam ( 17 , 18 ) being obtained from the information about the center position of the machine tool table ( 1 ). is determined and the provision of the incremental measurement signals for the calculation of the rotational position and rotational movement of the machine tool table takes into account the geometric distortion of the position code ( 19 ).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung des Werkzeugmaschinentisches (1) sowohl die Positionen der beiden Laserscannerstrahlen (17; 18) als auch die Ausgangsposition der Dreh­ achsen der Laserköpfe der Laserquelle (2) und die der Fotodoppeldiode (8) herangezogen werden, wobei im Unterflurbereich des Werkzeugmaschinen­ tisches (1) auf deren Gegenseite, gegenüber dem Laserscanner-System (12) ein Fotodetektor in Form einer Zeilenkamera sowie eine Diodenzeile angeordnet sind und am Umfang des Werkzeugmaschinentisches (1) ein Positionscode (19) vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that for the calibration of the machine tool table ( 1 ) both the positions of the two laser scanner beams ( 17 ; 18 ) and the starting position of the axes of rotation of the laser heads of the laser source ( 2 ) and that of the photo-double diode ( 8 ) are used, with in the underfloor area of the machine tool table ( 1 ) on the opposite side, opposite the laser scanner system ( 12 ), a photodetector in the form of a line camera and a diode row are arranged and a position code ( 19 ) is provided on the circumference of the machine tool table ( 1 ) . 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung der Mittelpunktsbestimmung des Werkzeugmaschinen­ tisches (1) durch diskrete Verschiebewege des Werkzeugmaschinentisches (1) erfolgt und ein Laser-Interferometer vorgesehen ist, welches die Information in der Verschiebeebene aufnimmt.3. A device according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the calibration of the center point determination is carried out of the machine tool table (1) by discrete displacement paths of the machine tool table (1) and a laser interferometer is provided, which receives the information in the displacement plane.
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