DE3509838A1

DE3509838A1 - Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3509838A1
Application number: DE19853509838
Authority: DE
Inventors: Horst 4040 Neuss Wogatzke
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1985-03-19
Filing date: 1985-03-19
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3509838C2

Description

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 28.2.1985

Positionsmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Positionsmeßeinrichtungen ist es zur Ermittlung von Bezugspositionen bekannt, relativ zueinander bewegliche Maschinenteile oder Meßeinrichtungsteile aus einer Ausgangsposition bis zu einer Referenzmarke zu verfahren, um den bis dort zurückgelegten Wert zu ermitteln und zu speichern oder die Referenzmarke zur Bezugsposition mit dem Wert "Null" zu erklären. Ein solches Verfahren ist mit einer inkrementalen Längen- oder Winkelmeßeinrichtung möglich, wie sie in der DE-PS 19 64 381 beschrieben wird. Dieses Verfahren erfordert aber eine ungehinderte Relativbeweglichkeit der zu messenden Objekte, da die Bauteile der Meßeinrichtung fest mit den zu messenden Objekten verbunden sind und gemeinsam mit diesen zu einer Referenzmarke verstellt werden müssen.

Aus der DE-OS 16 73 887 ist eine Meßeinrichtung bei einer Maschine bekannt/ die bei einem auf dem Maschinenbett festgeklemmten Maschinenschlit.ten die Ermittlung einer Bezugsposition erlaubt. Zuerst muß dort der Schlitten in diejenige Position gefahren werden, die später als Bezugsposition zu Null erklärt werden soll. Danach wird der Schlitten auf dem Maschinenbett festgeklemmt. Anschließend wird die Abtastplatte der Meßeinrichtung relativ zum Maßstab verfahren, bis eine Referenzmarke erreicht ist. Bei Erreichen der Referenzmarke wird der elektronische Zähler der Meßeinrichtung auf den Wert Null gesetzt. Sodann kann die Klemmung für den Maschinenschlitten wieder gelöst und der Schlitten in die gewünschte Position gefahren werden. Die Lage der Referenzmarke stellt also die Bezugsposition für die weiteren Arbeitsgänge dar.

Die bekannten Verfahren zur Ermittlung einer als Ausgangslage definierten Bezugsposition, die vor den eigentlichen Arbeitsvorgängen erfolgt, sind mit den beschriebenen inkrementalen Meßeinrichtungen jedoch dann nicht mehr möglich, wenn bereits Arbeitsgänge erfolgt sind und beispielsweise laufende Arbeitsgänge unterbrochen werden. Diese Unterbrechung eines laufenden Arbeitsvorganges, beispielsweise bei einem Handhabungsautomaten - im allgemeinen als Industrieroboter bezeichnet - ist durch Stromausfall möglich. Der Roboter bleibt dann in seiner momentanen Position stehen; der auf seine ursprüngliche Bezugsposition bezogene Meßwert geht aber durch den Stromausfall verloren, da auch die Messung unterbrochen wurde. Zur Fortführung des unterbrochenen Arbeitsvorganges müßte jedoch die Bezugsposition

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bekannt sein. Eine Rückbewegung des Roboters aus seiner Momentanposition in die ursprüngliche Ausgangslage scheidet aber in der Regel aus, weil beispielsweise gerade ein Werkzeug im Eingriff ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung der genannten Gattung anzugeben, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen beseitigt und es ermöglicht, nach Verlust der Lageinformation in unbekannten Momentanpositionen ohne Bewegung der zu messenden Objekte eine Bezugsposition zu reproduzieren.

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

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene Positionsmeßeinrichtung auf einfache und schnelle Weise die Reproduktion einer Bezugsposition nach unterbrochenen Messungen und Bewegungen aus unbekannten Momentanpositionen erlaubt, ohne daß die zu messenden Objekte bewegt werden müssen. Ein solches zu messendes Objekt in Form eines Werkzeuges kann somit bei einer Unterbrechung des Meßvorganges und des Bearbeitungsvorganges durch eine Störung im Eingriff am Werkstück verbleiben, so daß nach Behebung der Störung und Wiederermittlung der Bezugsposition der unterbrochene BearbeitungsVorgang unverzüglich wieder forgesetzt werden kann. Ein Zurückziehen des Werkzeuges von der Eingriffstelle am Werkstück und ein erneutes genaues Wiederanfahren dieser Eingriffstelle ist zeitaufwendig und schwierig und kann zu

Beschädigungen des Werkstückes führen. Ferner sind beispielsweise bei Industrierobotern programmgesteuerte Überprüfungen der jeweiligen Bezugspositionen zwischen einzelnen Arbeitsabläufen möglich/ wodurch die Betriebssicherheit derartiger Systeme erheblich erhöht wird.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den UnteranSprüchen.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert werden.

Es zeigt

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Figur 1 eine Längenmeßeinrichtung an den zu messenden Maschinen-Bauteilen;

Figur 2 eine Draufsicht auf die Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3 einen Ausschnitt einer Maßverkörperung aus der Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1 und 2 in vergrößerter Darstellung;

Figur 4 eine Seitenansicht der Maßverkörperung gemäß Figur 3 mit zwei schematisierten Abtastbaueinheiten;

Figur 5 eine Maßverkörperung mit zwei Inkrementalteilungen und Referenzmarke;

Figur 6 zwei MaßVerkörperungen mit je

einer Inkrementalteilung, davon eine mit Referenzmarke;

Figur 7 eine Maßverkörperung mit einer

Inkrementalteilung und einer Referenz-Codeteilung .

Die in Figur 1 dargestellte Positionsmeßeinrichtung 1 ist auf die erfindungswesentlichen Einzelheiten beschränkt und aus diesem Grund stark schematisiert. Mit der Positionsmeßeinrichtung 1 wird die relative Lage zweier Objekte 2 und 3 zueinander gemessen. Diese Objekte 2 und 3 können Bett und Schlitten einer nicht dargestellten Maschine, beispielsweise einer Werkzeugmaschine sein.

Am Schlitten 3 ist ein Hohlkörper 4 mittels Winkeln 5a und 5b befestigt. Innerhalb des Hohlkörpers 4 ist in bekannter Weise eine Maßverkörperung 6 angeordnet. Diese Maßverkörperung 6 trägt eine Inkrementalteilung T1, die in ebenfalls bekannter Weise von einer Abtastbaueinheit A1 abgetastet wird. Die Abtastbaueinheit A1 ist fest mit dem Bett 2 der Maschine verbunden und wird bei Relativbewegungen zwischen Bett 2 und Schlitten 3 relativ zur Maßverkörperung 6 bewegt. Da die Maßverkörperung die besagte Inkrementalteilung T1 trägt, auf die später noch näher eingegangen wird, kann ständig die Position des bewegten Schlittens 3 zum stillstehenden Bett 2 ermittelt werden, denn die von der Abtastbaueinheit A1 während der Bewegung abgetasteten Intervalle der Inkrementalteilung T1 werden in einer nicht dargestellten Auswerteeinrichtung erfaßt und als Weg- bzw. Positionswert angezeigt.

Zusätzlich zur Abtastbaueinheit A1 ist eine weitere Abtastbaueinheit vorgesehen, die als Referenz-Abtastbaueinheit RA bezeichnet, und unabhängig von Bett 2 und Schlitten 3 relativ zur Maßverkörperung 6 verschiebbar ist. Mit Hilfe dieser Referenz-Abtastbaueinheit RA kann jederzeit die Position der Abtastbaueinheit A1 zu einem Bezugspunkt der Maßverkörperung 6 ermittelt werden. Der Bezugspunkt

wird durch eine Referenzmarke R1 bestimmt, deren Lage zur Inkrementalteilung T1 der Maßverkörperung absolut festgelegt ist. Diese Bezugspunktermittlung wird anhand der Figur 3 und folgende noch näher beschrieben.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Figur 1. Es ist ersichtlich, daß der Hohlkörper 4 an seiner Oberseite mit Dichtelementen 4a und 4b abgedichtet ist, die im Bereich der Abtastbaueinheiten A1 und RA durchgriffen werden, wozu diese Abtastbaueinheiten A1 und RA in bekannter Weise nicht näher bezeichnete Mitnehmer aufweisen. Im Bereich dieser Mitnehmer werden die Dichtelemente 4a und 4b aufgespreizt und schmiegen sich an die Außenbereiche der Mitnehmer an, deren Querschnitt etwa dem eines zweischneidigen Schwertes gleicht.

In Figur 3 ist ein Ausschnitt der Maßverkörperung vergrößert dargestellt. Die Maßverkörperung 6 besteht aus Glas und ist mit einer für Strahlung undurchlässigen Schicht versehen. Unter Strahlung sei hier Strahlung im optischen Bereich verstanden, obwohl die Erfindung nicht auf optisch-elektrische Positionsmeßeinrichtungen beschränkt sein soll.

Mit Hilfe von photolithographischen Verfahren ist auf der Maßverkörperung 6 eine Inkrementalteilung T1 angebracht, die allgemein bekannt ist. An einem als Bezugspunkt definierten Ort ist in gleicher Weise eine Referenzmarke R1 auf der Maßverkörperung 6 angeordnet. Selbstverständlich können auch mehrere Referenzmarken vorgesehen werden.

Die Abtastung der Inkrementalteilung T1 erfolgt in

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bekannter Weise; anhand der Figur 4 soll erläutert werden, wie die Bezugsposition in der erfindungsgemäßen Weise ermittelt wird.

Auf der nun in Seitenansicht gezeigten Maßverkörperung 6 tastet die Abtastbaueinheit A1 die Inkrementalteilung T1 ab. An beliebiger Stelle sollen die Abtastbaueinheit A1 und die MaßVerkörperung 6 sich in einer Ruhestellung befinden. Diese Ruhestellung kann durch Unterbrechung der Energieversorgung der Maschine verursacht worden sein. Durch Stromunterbrechungen gehen bei inkrementalen Meßeinrichtungen jedoch auch die Positionswerte verloren .

Um diese Positionswerte wiederzugewinnen, ist es beim Stand der Technik (siehe u.a. eingangs aufgeführte Druckschriften) erforderlich, den Schlitten soweit zu verfahren, daß die Referenzmarke mit einem entsprechenden Abtastfeld der Abtastbaueinheit koinzidiert, und so ein Referenzimpuls erzeugt wird, der die Auswerteeinrichtung auf einen bestimmten Wert, z.B. "Null" setzt. Nun kann der Schlitten wieder positioniert werden. Die aus dieser Vorgehensweise resultierenden Nachteile wurden bereits abgehandelt, so daß nun die erfindungsgemäße Ermittlung der Bezugsposition dargelegt werden soll:

Der Schlitten 3 mit der Maßverkörperung 6 nimmt eine unbekannte Position zum Bett 2 und der Abtastbaueinheit A1 ein, und keines dieser Elemente kann relativ zu einem der anderen von der Stelle bewegt werden. Zur Ermittlung der Position der Abtastbaueinheit A1 relativ zur Referenzmarke R1 und damit des Schlittens 3 zum Bett 2 muß der Abstand der Referenzmarke R1 von der Abtastbaueinheit A1 bestimmt

werden. Dazu wird nun manuell oder mittels eines nicht dargestellten Antriebes eine zusätzliche Referenz-Abtastbaueinheit RA relativ zur Maßverkörperung 6 verfahren. Sowohl die Referenz-Abtastbaueinheit RA als auch die Abtastbaueinheit A1 weisen Indikatorbausteine 7 und 8 auf. Wenn diese Indikatorbausteine 7 und 8 in Koinzidenz gebracht werden, bilden sie einen sogenannten Null-Indikator 78. Ein Null-Indikator kann die unterschiedlichsten Bauformen aufweisen, auch eine abgetastete Referenzmarke ist in gewissem Sinn ein Null-Indikator.

Nachdem einer der Null-Indikatoren (die Referenzmarke R1 oder der Null-Indikator 78, der durch die beiden Indikatorbausteine 7 und 8 gebildet wird) überfahren worden ist, wird die Auswerteeinrxchtung auf einen bestimmten Positionswert, z.B. "Null" gesetzt. Anschließend wird die Referenz-Abtastbaueinheit RA in Richtung des anderen Null-Indikators verfahren und es werden von der Referenz-Abtastbaueinheit RA die dabei überfahrenen Teilungsinkremente ermittelt und in der Auswerteeinrxchtung aufsummiert. Beim überfahren des anderen NuIl-Indikators (R1 oder 78) wird diese Zählung gestoppt und der Abstand der Referenzmarke R1 vom Null-Indikator 78 - also der ersten Abtastbaueinheit A1 wird als Bezugswert angezeigt.

Damit ist eine Bezugsposition reproduziert, ohne daß eines der Maschinen-Bauteile bewegt worden ist.

Es versteht sich, daß die Referenz-Abtastbaueinheit RA den Anforderungen entsprechend geführt werden muß. Das kann - wie im Beispiel gezeigt - innerhalb der Positionsmeßeinrichtung 1 geschehen, aber

die Referenz-Abtastbaueinheit RA kann selbstverständlich auch außerhalb der Positionsmeßeinrichtung 1 direkt an der Maschine geführt werden.

In Figur 5 ist eine der Figur 3 entsprechende MaßVerkörperung 65 gezeigt, bei der neben der Inkrementalteilung T5 noch eine weitere Inkrementalteilung TR5 vorgesehen ist. Diese Inkrementaltöilunvj TR5 kann, muß aber nicht die gleiche Gitterkonstante haben, wie die Inkrementalteilung T5. Falls beide Inkrementalteilungen T5 und TR5 die gleiche Gitterkonstante haben, empfiehlt es sich, anstelle zweier getrennter Inkrementalteilungen T5 und TR5 - abweichend von Figur 5 - eine einzige, breite Inkrementalteilung vorzusehen.

Zur Abtastung der Inkrementalteilung T5 sind außer der Abtastbaueinheit A15 noch weitere Abtastbaueinheiten vorgesehen, von denen hier nur die Abtastbaueinheit A25 gezeigt ist. Mehrere Abtastbaueinheiten, die eine gemeinsame Inkrementalteilung abtasten, sind bei sehr langen Maschinen üblich, die mehrere Maschinenschlitten in einer Achse unabhängig voneinander verfahren. Jede der Abtastbaueinheiten A15 und A25 hat demgemäß eine andere Bezugsposition inne, bezogen auf den Teilungsnullpunkt bzw. die Referenzmarke R15. Jede der Abtastbaueinheiten A15 bzw. A25 hat auch einen eigenen Indikatorbaustein 85 bzw. 95. Mit Hilfe einer entsprechend geschalteten Auswerteeinrichtung kann auf die vorbeschriebene Weise für jede Abtastbaueinheit A15, A25 usw. der Abstand von dem Teilungsnullpunkt bzw. der Referenzmarke R1 ermittelt werden.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, mehrere Re-

ferenzmarken auf der Maßverkörperung vorzusehen, wenn die Verfahrwege für die Referenz-Abtastbaueinheit RA5 kurz gehalten werden sollen, oder wenn jeder der Abtastbaueinheiten A15, A25 usw. eine eigene Referenzmarke zugeordnet sein soll. Für diesen Fall müßten die einzelnen Referenzmarken kodiert werden, d.h. von jeder der einzelnen Referenzmarken muß die individuelle Entfernung vom Teilungsnullpunkt bekannt sein und von der Referenz-Abtastbaueinheit RA5 dekodiert werden können.

Das Beispiel in Figur 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Die Inkrementalteilung T6 ist auf einer Maßverkörperung 66 angeordnet und wird von Abtastbaueinheiten A16 und A26 abgetastet. Die Maßverkörperung 66 weist keine Referenzmarke auf und bildet damit eine inkrementale Positionsmeßeinrichtung in einfachster Bauweise. Sie kann, muß aber ebensowenig wie die vorbeschriebenen in einem Gehäuse gekapselt sein.

Die Bezugsposition der Abtastbaueinheiten A16 und A26 zum Teilungsnullpunkt wird mit Hilfe einer weiteren Positionsmeßeinrichtung ermittelt, die eine eigene Maßverkörperung 106 mit einer Inkrementalteilung TR6 und einer Referenzmarke R16 aufweist, die von einer Referenz-Abtastbaueinheit RA6 abgetastet werden. Die beiden Maßverkörperungen 66 und 106 bzw. die beiden entsprechenden Positionsmeßeinrichtungen sind an der Maschine so zueinander montiert, daß die Referenzmarke R16 der Maßverkörperung 106 genau dem Teilungsnullpunkt der Inkrementalteilung T6 der anderen Maß-Verkörperung 66 zugeordnet ist. Die Abtastbau-

einheiten A16 und A26 sowie die Referenz-Abtastbaueinheit RA6 tragen ebenfalls Indikatorbausteine 86, 96 und 76. Die Bezugspunktermittlung gleicht den vorbeschriebenen Vorgängen, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen hier nicht mehr näher darauf eingegangen werden muß.

Der zur Figur 6 geltend gemachte besondere Vorteil äußert sich darin, daß die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung 1 aus zwei einfachen, standardmäßigen inkrementalen Meßeinrichtungen aufgebaut werden kann, von denen lediglich eine eine Referenzmarke aufweisen muß, die zur Teilung der anderen absolut festgelegt ist. Durch entsprechende Justierung ist diese Forderung leicht zu erfüllen.

In Figur 7 ist schließlich noch ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die separate Teilung als Referenz-Codeteilung TRC ausgebildet ist. Anstelle einer Inkrementalteilung mit einer die Bezugsposition definierenden Referenzmarke ist eine sogenannte Absolutteilung als Referenz-Codeteilung TRC neben der zur eigentlichen Messung benutzten Inkrementalteilung T7 auf der Maßverkörperung 67 angebracht. Abtastbaueinheiten sind hier nicht gezeigt, weil sie den vorbeschriebenen entsprechen, wobei die Abtastung der Referenz-Codeteilung TRC mit einer entsprechend ausgebildeten Abtastbaueinheit erfolgt. Die Absolutposition - bezogen auf den Nullpunkt der Referenz-Codeteilung TRC - ist jedesmal sofort an der nicht gezeigten Auswertebaueinheit ablesbar, wenn die Indikatorbausteine der Abtastbaueinheiten für die Inkrementalteilung T7 mit dem Indikatorbaustein der Abtastbaueinheit für die Referenz-Codeteilung koinzidiert.

Wie schon die unterschiedlichen Teilungsausbildungen zeigen, ist die Erfindung nicht auf rein inkrementale Positionsmeßeinrichtungen beschränkt, sondern es können auch Mischformen zur Anwendung kommen.

Ebenso ist auch das physikalische Abtastprinzip nicht erfindungswesentlich, so können magnetische, induktive, kapazitive, piezoelektrische und natürlieh optoelektrisch^ Positionsmeßeinrichtungen und deren Kombination verwendet werden.

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Claims

3509Β38 DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 28.2.1985 Ansprüche

1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte und zum Reproduzieren einer Bezugsposition bei beliebiger unbekannter Momentanposition der zu messenden Objekte, bei der wenigstens eine Maßverkörperung mit dem ersten Objekt und wenigstens eine Abtastbaueinheit zur Abtastung einer Inkrementalteilung einer Maßverkörperung fest mit dem zweiten Objekt verbunden ist, und bei der der Inkrementalteilung der Maßverkörperung wenigstens eine Referenzmarke oder Referenz-Codeteilung fest zu geordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenz-Abtastbaueinheit (RA, RA5, RA6) wenigstens eine weitere Abtastbaueinheit vorgesehen ist, die unabhängig von der wenigstens einen Abtast-. baueinheit (A1) und somit von den beiden Objek-• · ten (2, 3) relativ zur Maßverkörperung (6, 65, 66, 106, 67) verschiebbar ist, und durch Abtastung einer Teilung (T1, TR, TR6, TRC) den Abstand der wenigstens einen Abtastbaueinheit (A1) von der wenigstens einen Referenzmarke (R1) oder dem Nullpunkt der Referenz-Codeteilung (TRC) ermittelt.

2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abtastbaueinheit (A1) und die Referenz-Abtastbaueinheit

(RA) Indikatorbausteine (8,7) aufweisen, die bei Koinzidenz einen Null-Indikator (78) bilden.

3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung der Teilung (T5, T6) der Maßverkörperung (65, 66) mehrere unabhängig voneinander bewegliche Abtastbaueinheiten (A15, A16, A25, A26) mit Indikatorbausteinen (85, 86, 95, 96) vorgesehen sind, und daß der Indikatorbaustein (75, 76) der Referenz-Abtastbaueinheit (RA5, RA6) mit jeder der anderen Abtastbaueinheiten (A15, A16, A25, A26) in Koinzidenz bringbar ist.

4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz-Abtastbaueinheit (RA, RA5, RA6) manuell oder selbsttätig mittels eines separaten Antriebes relativ zur Maßverkörperung (6, 65, 106) verschiebbar ist.

5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Referenz-Abtastbaueinheit (RA5, RA6) eine separate Teilung (TR5, TR6) mit Referenzmarke (R15, R16) oder eine Referenz-Codeteilung (TRC) vorgesehen ist, wobei die Referenzmarke (R15, R16) bzw. der Nullpunkt der Referenz-Codeteilung (TRC) jedoch der ersten Teilung (T5, T6, T7) absolut zugeordnet ist.

6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die separate Teilung (TR6) auf einer eigenen Maßverkörperung (106) angeordnet ist.

7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abtastung der ersten Teilung (T5_f T6) mehrere unabhängige voneinander bewegliche Abtastbaueinheiten (A15, A16, A25, A26) vorgesehen sind, daß zur Abtastung der separaten Teilung (TR5, TR6) mit Referenzmarke (R15, R16) die Referenz-Abtastbaueinheit (RA5, RA6) vorgesehen ist, deren Indikatorbaustein (75, 76) mit jedem Indikatorbaustein (85, 86, 95, 96) der jeweiligen Abtastbaueinheit (A15, A16, A25, A26) in Koinzidenz bringbar ist.

8. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastbaueinheiten der ersten Teilung (T7) Indikatiorbausteine aufweisen, die mit einem Indikatorbaustein der Abtastbaueinheit für die Referenz-Codeteilung (TRC) in Koinzidenz bringbar sind.

9. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsermittlung während der Bewegung eines der Objekte stattfindet.

10. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, 5, 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine der Teilungen mit ihrer zugehörigen Abtastbaueinheit eine Notfunktion bei Ausfall der anderen übernimmt.