DE4113856C3 - Verfahren und Anordnung zum Kalibrieren eines digitalen Längenmeßsystems an einer Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung ist anwendbar bei translatorischen Meßsystemen, bei denen der metrologische Anschluß im eingebauten Zustand reproduziert oder überprüft werden soll.

Zur Reproduktion bzw. zur Übertragung des metro­ logischen Maßanschlusses von materiellen Maßverkör­ perungen auf Teilungsträgern sind verschiedene Me­ thoden bekannt.

Eine Gruppe von Verfahren nutzt stabile Teilungsträ­ ger, die eine hohe Maßstabilität vom technisch-techno­ logischen Herstellungsprozeß bis zum Einsatz an Meß­ maschinen oder anderen Einsatzfällen weitgehend bei­ behalten, z. B. Maßverkörperungen, wie sie in Feingerä­ tetechnik 30. Jg./Heft 5/1981, Seite 195, beschrieben sind. Diese Methode ist jedoch sehr kosten- und materi­ alaufwendig und auch nur für kurze Meßlängen geeig­ net.

Eine andere Gruppe von Verfahren verwendet weni­ ger steife Teilungsträger, aber es werden relativ hohe technische Aufwendungen betrieben, um Zwangskräfte auf den Teilungsträger zu minimieren (DD 121 832 A1, DD 222 106 A1 oder DD 249 615 A1).

Diese Art von Meßsystemen hat neben dem hohen technischen Aufwand für die Zwangskräfteminimierung den Nachteil, daß die dünnen aber noch eigenstabilen Teilungsträger in der Länge begrenzt sind.

Aus der DE 36 20 188 A1 ist ein Verfahren zur Korrektur des Temperaturfehlers bei Längenmessungen an Werkstücken in flexiblen Fertigungssystemen bekannt, bei dem das zu vermessende Werkstück zusammen mit einem Referenzkörper definierter Länge einem Koordinatenmeßgerät zugeführt wird. Dabei muß noch die weitere Bedingung erfüllt sein, daß nämlich der Referenzkörper zusammen mit dem Werkstück den Fertigungsprozeß durchläuft. Dadurch soll sichergestellt werden, daß er exakt die gleiche Temperatur wie das Werkstück annimmt und sozusagen die Funktion eines Thermometers erfüllen kann. Aus seiner aktuellen Vermessung und den bekannten Materialparametern des Trägermaßstabs, des Referenzkörpers und des Werkstücks werden dann Korrekturfaktoren ermittelt, deren Anwendung auf den Ablesewert des betreffenden Teilungsträgers letztlich die gewünschte genaue Maßangabe für das zu vermessende Werkstück abgibt. Schon die Voraussetzung, daß der Referenzkörper zusammen mit dem Werkstück den Fertigungsprozeß gemeinsam durchlaufen haben muß, ergibt ebenso wie der komplizierte und umfangreiche Rechenprozeß für die Ermittlung der Korrekturwerte einen vergleichsweise großen Aufwand bei diesem Verfahren.

Die EP 0 169 249 A2 beschreibt ein Eichverfahren für ein Wegmeßsystem für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen, bei dem während der Messung in ihrer Sollgröße genau bekannte Längenelemente ebenfalls gemessen und aus den Sollabweichungen entsprechende Korrekturfunktionen für die Meßergebnisse erstellt und auf diese angewendet werden. Dabei muß aber ein ganz erheblicher elektronischer und auch baulicher Aufwand getrieben werden, der die Anordnung mehrerer über die Meßstrecke verteilter Kalibrierstücke bedingt.

Es sind weiterhin Meßsysteme bekannt - vor allem für größere Längen - bei denen ein Teilungsträger aus elastischem Material so gestreckt wird, daß die auf dem Teilungsträger aufgebrachte Teilung wieder metrolo­ gisch reproduziert wird.

Derartige Verfahren sind in DE 20 11 594 A1, DE 25 18 745 A1, DE 33 19 600 A1 und in DE 34 02 613 C1 beschrieben.

Der Nachteil dieser Lösungen ist, daß zum Reprodu­ zieren des metrologischen Maßanschlusses ein externes Meßsystem als Vergleichsmeßsystem erforderlich ist. In der Regel werden hierfür teure Laserwegmeßsysteme eingesetzt. Das Reproduzieren des Maßanschlusses ist hier mit einem hohen apparativen und meßtechnischen Aufwand verbunden. Dieser Aufwand ist nicht nur beim Meßsystemeinbau in die Werkzeugmaschine oder Meß­ maschine erforderlich, sondern auch nach Reparaturar­ beiten am Meßsystem oder für Meßsystemüberprüfun­ gen.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den Gebrauchswert von Bandmeßsystemen durch ein meßsysteminternes Etalon zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Anordnung zur Kalibrierung eines digi­ talen Längenmeßsystems an einer Maschine anzugeben, welche mit einfachen Mitteln einen metrologischen Maßanschluß ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafterweise sollte das Etalon zwecks Kompen­ sation thermisch bedingter Längenänderungen aus ei­ nem Material bestehen, welches einen gleichen bzw. um einen ≦ 10% abweichenden thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten hat wie das Maschinenelement, mit dem der elastische Teilungsträger verbunden ist.

Die Marken und/oder zugehörige Markenabtasteinrichtung können durch optoelektroni­ sche Mittel, wie z. B. Optokoppler, oder durch Nähe­ rungsinitiatoren realisiert sein.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die metrologische Zuordnung der Sekundärsi­ gnale zur Längeneinheit vom Spannungszustand des elastischen Teilungsträgers abhängig ist, kann je nach Bedarf, wie z. B. nach der Montage an einer Maschine, bei Veränderungen des Spannungszustandes des Tei­ lungsträgers oder für eine Meßsystemüberprüfung, die vorher ermittelte Etalonlänge, welche durch den Ab­ stand zwischen beiden Marken gekennzeichnet ist, neu gemessen werden, indem mit der Markenabtastein­ richtung in Teilungsrichtung zunächst beide Marken überfahren und dabei anhand die­ ser Signale einerseits und der durch diese Relativbewegung entstehenden, zwischen beiden Markensignalen liegenden Sekundär­ signale andererseits die Etalonlänge in Ein­ heiten dieser Sekundärsignale ausgewiesen wird. Zur metrologischen Zuordnung wird die Einspannkraft für den Teilungsträger in Teilungsrichtung so lange verändert, bis die angezeigte Etalonlänge mit der vor­ her ermittelten Etalonlänge übereinstimmt.

Dabei ist die Etalonlänge auf iterativem Wege mit der vorher ermittelten Etalonlänge durch Wiederholungen des Einstellvorgangs in Über­ einstimmung zu bringen.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfüh­ rungsbeispiel näher erläutert werden. In der Figur ist eine Anordnung zur Reproduktion des metrologischen Maßanschlusses für ein translatorisches Meßsystem schematisch dargestellt.

An einem ersten Maschinenelement 1, z. B. Maschi­ nenbett einer Werkzeugmaschine, ist ein bandförmiger elastischer Teilungsträger 2 mit einer translatorischen Teilung unter der Vorspannkraft P angebracht und an einem zweiten Maschinenelement 3, z. B. Support der Werkzeugmaschine, welches zum ersten Maschinenele­ ment in Meß- und Verfahrrichtung 9 relativ beweglich ist, ist eine Abtasteinrichtung 4 für die Teilung ange­ bracht. Die in der Abtasteinrichtung 4 erzeugten Pri­ märsignale werden einer Auswerteeinrichtung 10 zuge­ leitet und die in der Auswerteeinrichtung 10 erzeugten Sekundärsignale werden einer Anzeigeeinrichtung 11 zugeleitet.

Der metrologische Anschluß der Anzeige 11 dieser Anordnung hängt vom Spannungszustand und damit von den Einspannkräften des Teilungsträgers 2 in Tei­ lungsrichtung 12 ab. Erfindungsgemäß enthält die An­ ordnung ein Längenetalon 5 mit einer Anfangsmarke 6 und einer Endmarke 7, wobei dieses Etalon den Abstand A zwischen der Anfangsmarke 6 und der Endmarke 7 in Teilungsrichtung 12 konstant hält und sich in Teilungs­ richtung 12 erstreckt. Eine Markenabtasteinrichtung 8 für die Anfangs- und Endmarke 6, 7 des Etalons 5 ist fest mit der Abtasteinrichtung 4 der Teilung verbunden. Die Markenabtastsignale beim Überfahren der Anfangs- und Endmarke 6, 7 des Etalons 5 werden von der Mar­ kenabtasteinrichtung 8 der Auswerteeinrichtung 10 zu­ geführt.

Für den mittleren minimalen Summenteilungsfehler der Teilung sei bei einer Einspannkraft von 203 N der Abstand A des Etalons gegen ein metrologisch absolut angeschlossenes Laserwegmeßsystem von beispielswei­ se A = 1000,478 mm beim Meßsystemhersteller ermit­ telt worden.

Beim Anbau des Meßsystems an die Werkzeugma­ schine wurde die Einspannkraft des elastischen Tei­ lungsträgers gemessen und so eingestellt, daß der Wert etwa auch bei 203 N lag.

Für die Reproduktion des vom Meßsystemhersteller vorgenommenen metrologischen Maßanschlusses ist nach folgenden Schritten zu verfahren:

• 1. Ermittlung der Etalonlänge, indem mit der Markenabtasteinrichtung 8 in Teilungsrich­ tung 12 zunächst die Anfangs- 6 und danach die Endmarke 7 überfahren wird und dabei anhand der Anfangs- und Endmarkensignale einerseits und der durch diese Bewegung entstehenden, zwischen An­ fangs- und Endmarkensignalen liegenden Sekun­ därsignale der Teilung andererseits die Etalonlänge in Einheiten dieser Sekundärsignale an der Anzeigeeinrichtung ausgewiesen wird.
  Im ersten Schritt soll sich eine Etalon­ länge von 1000,637 mm ergeben haben. Daraus re­ sultiert, daß die Teilung im Vergleich zur exakten Etalonlän­ ge zu kurz ist.
  Die Differenz beträgt - 159 Inkremente.
• 2. Da die Differenz negativ ist, ist der elastische Teilungsträger 2 geringfügig nachzuspannen, und die Etalonlänge ist entsprechend Punkt 1. neu zu bestimmen.

Die Schritte 1. und 2. sind so lange zu wiederholen, bis die gemessene Etalonlänge mit der tatsächlichen Eta­ lonlänge von 1000,478 mm übereinstimmt. Für den Fall der Übereinstimmung ist der metrologische Anschluß des Längenmeßsystems über die gesamte Meßlänge in Übereinstimmung mit dem metrologischen Anschluß, wie er vom Meßsystemhersteller gegenüber einem La­ serwegmeßsystem realisiert wurde, gebracht worden, ohne daß an der Werkzeugmaschine mit externen Meß­ mitteln gearbeitet werden mußte.

Claims (5)

1. Verfahren zum Kalibrieren eines digitalen Längenmeßsystems an einer Maschine, bei dem ein an einem ersten Maschinenelement (1) angebrachter, vorgespannter, bandförmiger, elastischer Teilungsträger (2), dessen Vorspannung veränderbar ist, mittels einer an einem relativ zum ersten Maschinenelement (1) beweglichen zweiten Maschinenelement (3) angebrachten Abtasteinrichtung (4) abgetastet wird, deren Meßsignale einer Auswerteeinrichtung (10) zugeführt und dort verarbeitet werden, wobei mit einer mit der Abtasteinrichtung (4) fest verbundenen Markenabtasteinrichtung (8) zwei auf einem Längenetalon (5) angebrachte, in Teilungsrichtung (12) in einem vorbestimmten, konstanten Abstand (A) voneinander entfernte Marken (6, 7) abgetastet werden, und in der Auswerteeinrichtung (10) aus den beim Abtasten des Längenetalons (5) und des Teilungsträgers (2) in der Markenabtasteinrichtung (8) und der Abtasteinrichtung (4) erzeugten Signalen ein dem Abstand (A) auf dem Längenetalon zugeordneter Meßwert bestimmt wird, der sodann mit einem vorgegebenen, dem Abstand (A) beider Marken (6, 7) auf dem Längenetalon (5) im kalibrierten Zustand des Längenmeßsystems entsprechenden Sollwert verglichen und beim Auftreten einer Differenz zwischen beiden die Längsdehnung des Teilungsträgers (2) durch Verstellen seiner Vorspannkraft so lange verändert und der Meßwert für jede eingestellte Vorspannkraft erneut ermittelt wird, bis der Meßwert mit dem Sollwert übereinstimmt.

2. Anordnung zum Kalibrieren eines digitalen Längenmeßsystems an einer Maschine, bei der an einem ersten Maschinenelement (1) ein bandförmiger, elastischer Teilungsträger (2) unter Vorspannung und an einem zweiten Maschinenelement (3), welches relativ zum ersten Maschinenelement (1) beweglich ist, eine Abtasteinrichtung (4) für eine auf dem Teilungsträger (2) aufgebrachte Teilung angebracht ist, wobei der Meßsignalausgang der Abtasteinrichtung (4) mit einer Auswerteeinrichtung (10) verbunden ist und deren Ausgänge mit einer Anzeigeeinrichtung (11) in Verbindung stehen, ferner eine Einrichtung zur verstellbaren Längsdehnung des Teilungsträgers (2) am ersten Maschinenelement (1) vorgesehen ist, wobei weiterhin ein Längenetalon (5) mit einem vorgegebenen, konstanten Abstand (A) in Teilungsrichtung (12) zwischen zwei auf ihm angebrachten Marken (6, 7) und eine Markenabtasteinrichtung (8) für das Abtasten beider Marken (6, 7) vorgesehen ist, wobei die Markenabtasteinrichtung (8) an die Auswerteeinrichtung (10) angeschlossen und mit der Abtasteinrichtung (4) fest verbunden ist, und wobei die Markenabtasteinrichtung (8) und das Längenetalon (5) jeweils einem der beiden Maschinenelemente (1, 3) zugeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der das Längenetalon (5) dem ersten Maschinenelement (1) zugeordnet ist und sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägermaterials für das Längenetalon (5) und des Materials des ersten Maschinenelementes (1) höchstens um 10% unterscheiden.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei der zum Abtasten der beiden Marken (6, 7) optoelektronische Mittel vorgesehen sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der das Längenetalon (5) innerhalb des Meßbereiches des Längenmeßsystems in Teilungsrichtung (12) positionierbar ist.