Die
Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung
der Position zweier zueinander beweglicher Objekte, nämlich
einer Aufnahme und eines hieran beweglich geführten verfahrbaren Objektes,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The
The invention relates to a position measuring device for determination
the position of two mutually movable objects, namely
a receptacle and a movable object guided movably thereon,
according to the preamble of claim 1.
Eine
derartige Positionsmesseinrichtung umfasst einen Teilungsträger,
der mindestens eine entlang einer Messrichtung verlaufende Teilungsstruktur (Messteilung)
aufweist, welche zur Positionsmessung mittels einer zugeordneten
Abtasteinheit abtastbar ist, sowie eine Aufnahme, an welcher der
Teilungsträger gelagert ist.A
such position measuring device comprises a graduation carrier,
the at least one graduation structure running along a measuring direction (measuring graduation)
which, for position measurement by means of an associated
Scanning unit is scanned, and a recording in which the
Division carrier is stored.
Der
Teilungsträger ist z. B. als ein längs erstreckter
Maßstab ausgebildet und kann auch zwei oder mehr Teilungsstrukturen
aufweisen, die sich jeweils entlang der Messrichtung erstrecken
und die quer zu jener Messrichtung voneinander beabstandet und nebeneinander
angeordnet sind, beispielsweise eine Inkrementalteilung einerseits
sowie eine absolut codierte Spur oder eine Referenzmarkenspur andererseits.Of the
Division carrier is z. B. as a longitudinally extended
Scale formed and can also have two or more partition structures
have, each extending along the measuring direction
and the spaced apart and juxtaposed transversely to the measuring direction
are arranged, for example, an incremental graduation on the one hand
as well as an absolutely coded track or a reference mark track on the other hand.
Solche
Anordnungen sind beispielsweise in dem Fachbuch Digitale
Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für
den Maschinenbau und die Elektroindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech:
1998; 3. Aufl.) beschrieben.Such arrangements are for example in the Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Position measuring systems for mechanical engineering and the electrical industry by Alfons Ernst (Landsberg / Lech: 1998; 3rd ed.) described.
Wie
in 1a dargestellt, sind der Teilungsträger 4 sowie
die zur Abtastung der am Teilungsträger vorgesehenen Teilungsstruktur
dienende Abtasteinheit 3 dabei jeweils an einem der beiden
zueinander beweglichen Objekte 1, 2 angeordnet,
bei denen es sich beispielsweise um ein Bett 1 und einen Schlitten 2 einer
Maschine (Werkzeugmaschine) handeln kann. Im Beispiel der 1 ist der Teilungsträger 4 am
Bett 1 befestigt; die Abtasteinheit 3 wird mit
dem Schlitten 2 relativ zum Teilungsträger 4 bewegt.As in 1a shown are the division carrier 4 and the scanning unit serving for scanning the division structure provided on the graduation carrier 3 in each case on one of the two mutually movable objects 1 . 2 arranged, which is for example a bed 1 and a sled 2 a machine (machine tool) can act. In the example of 1 is the division bearer 4 at the bed 1 attached; the scanning unit 3 will be with the sled 2 relative to the division carrier 4 emotional.
Gemäß 1b kann
bei einer derartigen Positionsmesseinrichtung die Messgenauigkeit
beeinträchtigt werden, wenn das als Aufnahme der Anordnung
dienende Objekt einer Biegebelastung ausgesetzt ist. Handelt es
sich bei der Aufnahme beispielsweise um das Maschinenbett 1,
so können derartige Biegebelastungen auftreten, wenn der
zugeordnete Schlitten 2 entlang des Maschinenbettes verfahren wird.
Ist der Teilungsträger 4 nicht an der so genannten
neutralen Faser des Maschinenbettes 1 angeordnet, welche
in der Regel innerhalb des Maschinenbettes 1 liegt, so
kommt es bei einer Biegung des Bettes zu einer Stauchung oder Längung
des Teilungsträgers 4, welche auf die am Teilungsträger
vorgesehene Messteilung wirkt und damit die Messgenauigkeit beeinträchtigt.According to 1b can be compromised in such a position measuring device, the measurement accuracy when the serving as a recording of the object object is subjected to a bending load. If the recording is, for example, the machine bed 1 , such bending loads may occur when the associated carriage 2 is moved along the machine bed. Is the division carrier 4 not on the so-called neutral fiber of the machine bed 1 arranged, which usually within the machine bed 1 is located, it comes with a bending of the bed to a compression or elongation of the graduation carrier 4 which acts on the measuring graduation provided on the division graduation and thus impairs the measurement accuracy.
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung
der eingangs genannten Art im Hinblick auf deren Unempfindlichkeit
gegenüber Biegungen einer Aufnahme, an der der Teilungsträger
der Positionsmesseinrichtung gelagert ist, zu verbessern.Of the
Invention is based on the problem, a position measuring device
of the type mentioned above with regard to their insensitivity
opposite bends of a receptacle at which the graduation carrier
the position measuring device is mounted to improve.
Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung
einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1
gelöst.This
Problem is inventively by the creation
a position measuring device with the features of claim 1
solved.
Danach
ist der Teilungsträger über mindestens ein Gelenk
(z. B. an dem verfahrbaren Objekt) gelagert, das ein Verschwenken
des Teilungsträgers bezüglich der Aufnahme um
eine Kippachse zulässt, welche in einer Ebene liegt, die
durch die Messrichtung und eine neutrale Drehachse der Positionsmesseinrichtung
aufgespannt wird, und welche dabei parallel zur neutralen Drehachse
verläuft.After that
is the graduation carrier over at least one joint
(For example, on the movable object) stored, the pivoting
of the graduation carrier concerning the admission
allows a tilting axis, which lies in a plane that
through the measuring direction and a neutral axis of rotation of the position-measuring device
is clamped, and which thereby parallel to the neutral axis of rotation
runs.
Positionsmesseinrichtungen
mit einem Teilungsträger und einer Abtasteinheit weisen
einen imaginären neutralen Drehpunkt auf, um den der Teilungsträger
und die Abtasteinheit gegeneinander verkippen können, ohne
dass dies eine Positionsmessung beeinflusst. Genauer ist der neutrale
Drehpunkt dadurch charakterisiert, dass ein infinitesimales Verkippen
des Teilungsträgers bezüglich der Abtasteinheit
um den neutralen Drehpunkt keinerlei Einfluss auf das Ergebnis einer
Positionsmessung hat, während endliche, jedoch nach wie
vor kleine Kippbewegungen einen minimalen Einfluss auf das Ergebnis einer
Positionsmessung (verglichen mit einer Verkippung um andere Drehpunkte)
nach sich ziehen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen,
dass bei Positionsmesseinrichtungen der hier betrachteten Art ohnehin
lediglich äußerst geringe Verkippungen des gelenkig
gelagerten Teilungsträgers auftreten.Position-measuring devices
with a graduation carrier and a scanning unit
an imaginary neutral pivot around which the graduation carrier
and can tilt the scanning unit against each other, without
that this influences a position measurement. More precise is the neutral one
Fulcrum characterized by an infinitesimal tilting
of the graduation carrier with respect to the scanning unit
around the neutral fulcrum no influence on the result of a
Position measurement has, while finite, but how
before small tilting movements have a minimal impact on the result of a
Position measurement (compared to a tilt around other pivot points)
entail. In this context, it should be noted that
that in position measuring devices of the type considered here anyway
only extremely small tilting of the articulated
stored graduation carrier occur.
Da
vorliegend zudem nur solche Verkippungen eine Rolle spielen, die
um eine senkrecht zur Messrichtung und parallel zur Ebene der Teilungsstrukturen
liegende Achse stattfinden, sei hier eine solche Achse, die außerdem
den neutralen Drehpunkt enthält, als neutrale Drehachse
bezeichnet.There
In this case, only such tilting play a role, the
one perpendicular to the measuring direction and parallel to the plane of the graduation structures
lying axis, here is such an axis, which also
contains the neutral pivot, as a neutral axis of rotation
designated.
Die
neutrale Drehachse liegt in der Regel mittig im Abtastfeld der Abtasteinrichtung
und im Abtastspalt zwischen Teilungsträger und Abtasteinheit. Gemäß der
obigen Definition verläuft die neutrale Drehachse senkrecht
zu der Messrichtung und spannt gemeinsam mit dieser eine Ebene auf,
die hier auch als neutrale Ebene bezeichnet werden soll.The
neutral axis of rotation is usually centered in the scanning field of the scanner
and in the scanning gap between graduation carrier and scanning unit. According to the
above definition, the neutral rotation axis is perpendicular
to the measuring direction and together with this creates a plane,
which should also be referred to as a neutral level.
Zur
Ermittlung des neutralen Drehpunktes bzw. der neutralen Drehachse
eines Positionsmesssystems kann wie folgt vorgegangen werden:
Zunächst
werden Teilungsträger und Abtasteinheit um einen definierten
(geringen) Betrag bezüglich eines vorgegebenen Drehpunktes
geringfügig zueinander verkippt, und zwar bevorzugt um
eine durch jenen Drehpunkt verlaufende Achse, welche für
den vorliegenden Anwendungsfall senkrecht zur Messrichtung und dabei
im Wesentlichen parallel zur Ebene der Messteilung verläuft.
Eine solche Kippbewegung des Teilungsträgers relativ zur
Abtasteinheit wird in der Regel das Ergebnis einer aktuellen Positionsmessung
beeinflussen; es sei denn, bei dem vorgegebenen Drehpunkt handelt es
sich bereits um den neutralen Drehpunkt. Im letztgenannten Fall
wären keine weiteren Schritte zur Ermittlung des neutralen Drehpunktes
erforderlich.To determine the neutral pivot point or the neutral axis of rotation of a position measuring system can proceed as follows:
First, graduation carrier and scanning unit by a defined (small) amount with respect to ei Nes predetermined pivot point slightly tilted to each other, and preferably about an axis passing through that pivot axis, which for the present application is perpendicular to the measuring direction and thereby substantially parallel to the plane of the measurement graduation. Such a tilting movement of the graduation carrier relative to the scanning unit will generally influence the result of a current position measurement; unless the given pivot point is already the neutral pivot point. In the latter case, no further steps to determine the neutral pivot point would be required.
Wird
jedoch aufgrund der Kippbewegung des Maßstabes bezüglich
der Abtasteinheit um den vorgegebenen Drehpunkt ein (nicht vernachlässigbarer)
Einfluss auf das Ergebnis der Positionsmessung festgestellt, so
wird der Teilungsträger anschließend (im verkippten
Zustand) bezüglich der Abtasteinheit (insbesondere entlang
der Messrichtung) verschoben, bis die Positionsmesseinrichtung wieder
den vor dem Verkippen ermittelten Positionsmesswert (Ausgangswert)
anzeigt.Becomes
however, due to the tilting movement of the scale relative to
the scanning unit about the given pivot point (not negligible)
Influence on the result of the position measurement detected, so
the graduation carrier is subsequently (in the tilted
State) with respect to the scanning unit (in particular along
the measuring direction) shifted until the position measuring device again
the position measured value determined before tilting (initial value)
displays.
Die
vorbeschriebene Schwenkbewegung des Teilungsträgers bezüglich
der Abtasteinheit um einen vorgegebenen Drehpunkt sowie die anschließende
(lineare) Verschiebung des Teilungsträgers lassen sich
(insbesondere für kleine Schwenkwinkel und kleine Verschiebungen)
geometrisch auf eine einzige Drehung zurückführen.
Der Drehpunkt der hieraus resultierenden „virtuellen Drehung” ist
der gesuchte neutrale Drehpunkt, bezüglich dem der Teilungsträger
und die Abtasteinheit zueinander verkippt werden können,
ohne dass – jedenfalls bei sehr kleinen Kippwinkeln – die
Positionsmessung beeinflusst würde.The
above-described pivoting movement of the graduation carrier with respect
the scanning unit about a predetermined pivot point and the subsequent
(linear) shift of the graduation carrier can be
(especially for small swivel angles and small displacements)
geometrically attributed to a single rotation.
The pivot point of the resulting "virtual rotation" is
the sought neutral fulcrum, with respect to the graduation carrier
and the scanning unit can be tilted towards each other,
without - at least with very small tilt angles - the
Position measurement would be influenced.
Die
Bestimmung und Relevanz des neutralen Drehpunktes einer Positionsmesseinrichtung
ist einem Fachmann grundsätzlich bekannt, so dass diesbezüglich
ergänzend beispielhaft auf die DE 195 11 068 A1 , die DE 199 23 505 A1 ,
die DE 101 44 659 A1 und
die DE 10 2007
035 345 A1 verwiesen werden kann.The determination and relevance of the neutral pivot point of a position-measuring device is known in principle to a person skilled in the art, so that in this respect supplementary to the DE 195 11 068 A1 , the DE 199 23 505 A1 , the DE 101 44 659 A1 and the DE 10 2007 035 345 A1 can be referenced.
Durch
die gelenkige Lagerung des die Teilungsstruktur aufweisenden Teilungsträgers
wird eine an der Aufnahme wirkende Biegekraft umgesetzt in eine
Schwenkbewegung des Teilungsträgers, so dass letzterer
keinen Biegekräften ausgesetzt ist und die am Teilungsträger
vorgesehene Teilungsstruktur nicht beeinträchtigt wird.By
the articulated mounting of the dividing structure having graduation carrier
a force acting on the recording bending force is converted into a
Pivoting movement of the graduation carrier, so that the latter
is not exposed to bending forces and that at the graduation carrier
planned division structure is not affected.
Da
die Kippachse des Gelenks parallel zur neutralen Drehachse verläuft
und in der neutralen Ebene liegt, wirkt sich eine Schwenkbewegung
des Teilungsträgers um kleine Winkel nicht auf das Ergebnis
der Positionsmessung aus.There
the tilting axis of the joint runs parallel to the neutral axis of rotation
and is in the neutral plane, a pivotal movement affects
of the graduation carrier at small angles not on the result
the position measurement.
Durch
eine Ausbildung des Gelenkes dahingehend, dass dieses Translationsbewegungen
des Teilungsträgers relativ zu dem verfahrbaren Objekt entlang
der Messrichtung entgegenwirkt, werden Längsbewegungen
des Teilungsträgers entlang der Messrichtung verhindert.
Solche Längsbewegungen könnten das Messergebnis
verfälschen.By
an education of the joint to the effect that this translational movements
of the graduation carrier relative to the movable object along
counteracts the measuring direction, longitudinal movements
of the graduation carrier along the measuring direction prevented.
Such longitudinal movements could the measurement result
distort.
Zur
Bildung eines solchen Gelenks eignet sich ein Festkörpergelenk,
beispielsweise eine Blattfeder, die sich vorteilhaft parallel zur
der Ebene erstreckt, die durch die Messrichtung und durch die neutrale
Drehachse der Positionsmesseinrichtung aufgespannt wird, oder ein
Filmscharnier.to
Forming such a joint is a solid-state joint,
For example, a leaf spring, which advantageously parallel to
the plane extends through the measuring direction and through the neutral
Spindle of the position measuring device is clamped, or a
Film hinge.
Aufgrund
der schwenkbaren Lagerung mittels eines Gelenkes sollte für
die Lagerung des Teilungsträgers mindestens ein weiteres,
zusätzliches Lager, z. B. in Form eines Gelenkes oder in
Form eines unterstützenden Lagers, wie beispielsweise Rollen,
Luftlager oder Gleitlager, vorgesehen sein, welches insbesondere
derart ausgebildet ist, dass es eine Mehrzahl Bewegungsfreiheitsgrade
des Teilungsträgers zulässt, und über
welches der Teilungsträger z. B. an einem gemeinsam mit
dem verfahrbaren Objekt entlang der Aufnahme beweglichen Gleiter
abgestützt ist. Auch ein solches zweites Lager kann als
Gelenk wiederum durch eine Blattfeder realisiert werden, die jedoch
in diesem Fall so anzuordnen ist, dass die Messrichtung eine Normale
auf die Ebene dieser Blattfeder ist.by virtue of
the pivotal mounting by means of a joint should be for
the storage of the graduation carrier at least one more,
additional warehouse, z. B. in the form of a joint or in
Form of a supporting warehouse, such as rollers,
Air bearing or plain bearing, be provided, which in particular
is designed such that there are a plurality of degrees of freedom of movement
of the graduation carrier, and about
which of the division carrier z. B. at one together with
the moveable object along the recording movable slider
is supported. Even such a second camp can as
Joint in turn be realized by a leaf spring, however
in this case is to be arranged so that the measuring direction is a normal
is on the level of this leaf spring.
Bevorzugt
liegt nach der so genannten Abbé-Bedingung die Kippachse
des ersten Gelenkes auch in der so genannten Arbeitsebene, in welcher der
Arbeitsvorgang, wie z. B. die Bearbeitung eines Werkstückes
oder das Vermessen eines Objektes, erfolgt, welcher unter Verwendung
der von der Positionsmesseinrichtung erzeugten Daten gesteuert werden
soll. Die Arbeitsebene und die oben definierte neutrale Ebene fallen
dann zusammen.Prefers
lies after the so-called Abbé condition the tilt axis
of the first joint also in the so - called working plane, in which the
Operation, such. B. the machining of a workpiece
or measuring an object, which is done using
the data generated by the position measuring device are controlled
should. The working plane and the neutral plane defined above fall
then together.
Ist
die Positionsmesseinrichtung etwa einer Werkzeugmaschine zugeordnet,
mit der eine Oberfläche eines Werkstückes bearbeitet
wird, so ist die Arbeitsebene der Positionsmesseinrichtung definiert als
diejenige Ebene, in der die zu bearbeitende Oberfläche
des Werkstückes liegt. Entsprechendes gilt, wenn mittels
der Positionsmesseinrichtung ein Objekt vermessen werden soll.is
the position-measuring device is associated with a machine tool, for example,
edited with a surface of a workpiece
is, the working level of the position measuring device is defined as
the plane in which the surface to be worked
of the workpiece is. The same applies if by means of
the position measuring device an object is to be measured.
Durch
die Anordnung des Gelenkes, über welches der Teilungsträger
gelenkig gelagert ist, bzw. genauer einer hierdurch definierten
Kipp- bzw. Schwenkachse in der Arbeitsebene wird vermieden, dass
das Verkippen des Teilungsträgers um seine Schwenkachse
zu signifikanten Messabweichungen führt.By
the arrangement of the joint, over which the graduation carrier
is hinged, or more precisely one defined thereby
Tilting or pivoting axis in the working plane is avoided
the tilting of the graduation carrier about its pivot axis
leads to significant measurement errors.
Weiterhin
kann das Gelenk, über welches der Teilungsträger
gelenkig gelagert ist, je nach den Randbedingungen im Einzelfall,
an unterschiedlichen Stellen des Teilungsträgers vorgesehen
sein, insbesondere an einem Ende des Teilungsträgers oder
im mittleren Bereich des Teilungsträgers – jeweils
entlang der Messrichtung betrachtet.Furthermore, the joint, over which the graduation carrier is articulated, depending on the boundary conditions in the individual case, be provided at different locations of the graduation carrier, in particular at one end of the graduation carrier or in the central region of the graduation carrier - each considered along the measuring direction.
Bei
Teilungsstrukturen großer Ausdehnung, welche einen entsprechend
großen Teilungsträger erfordern, der aufgrund
seines Gewichtes und seiner Größe (Hebelarm) bei
gelenkiger Lagerung verstärkt zu Schwingungen neigt, kann
eine Verteilung der Teilungsstruktur auf zwei oder mehr Teilungsträger
vorgesehen sein, die entlang der Messrichtung hintereinander angeordnet
sind. Um bei einer solchen Anordnung auch im Übergangsbereich
zwischen den Teilungsträgern Positionsmessungen zu ermöglichen,
können gegebenenfalls mehrere Abtasteinheiten zur Abtastung
der Teilungsträger verwendet werden.at
Partitioning structures of large extent, which a corresponding
require large graduation carrier, due to
its weight and its size (lever arm) at
articulated bearing tends to vibration can tends
a distribution of the division structure on two or more graduation carriers
be provided, which are arranged one behind the other along the measuring direction
are. To such an arrangement in the transition area
to allow positional measurements between the graduation carriers
Optionally, multiple scanning units may be used for scanning
the graduation carrier can be used.
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren
deutlich werden.Further
Details and advantages of the invention will become apparent in the following
Description of exemplary embodiments with reference to the figures
become clear.
Es
zeigen:It
demonstrate:
1a eine
schematische Darstellung eines Positionsmesssystems zur Bestimmung
der Lage eines beweglichen Objektes in Form eines verfahrbaren Schlittens
einer Maschine bezüglich eines ortsfesten Objektes in Form
eines Maschinenbettes, wobei ein Teilungsträger der Positionsmesseinrichtung gemäß dem
Stand der Technik am Maschinenbett gelagert ist; 1a a schematic representation of a position measuring system for determining the position of a movable object in the form of a movable carriage of a machine with respect to a stationary object in the form of a machine bed, wherein a graduation carrier of the position measuring device according to the prior art is mounted on the machine bed;
1b die
Anordnung aus 1a, wobei während einer
Verfahrbewegung des Schlittens Biegekräfte auf das Maschinenbett
einwirken; 1b the arrangement 1a wherein during a movement of the carriage bending forces act on the machine bed;
2a eine
schematische Darstellung eines Positionsmesssystems umfassend einen
mit seinen beiden Enden einerseits am Schlitten und andererseits
an einem gemeinsam hiermit beweglichen Gleiter gelenkig gelagerten
Teilungsträger; 2a a schematic representation of a position measuring system comprising a with its two ends on the one hand on the carriage and on the other hand on a jointly hereby movable slider articulated graduation carrier;
2b die
Anordnung aus 2a während einer Verfahrbewegung
des Schlittens; 2 B the arrangement 2a during a movement of the carriage;
3 eine
detailliertere Illustration einer Schwenkbewegung des Teilungsträgers,
ausgelöst durch Biegekräfte, die während
einer Verfahrbewegung des Schlittens am Maschinenbett wirken; 3 a more detailed illustration of a pivoting movement of the graduation carrier, triggered by bending forces acting during a movement of the carriage on the machine bed;
4a eine
Variante der Anordnung aus 2a dahingehend,
dass sich ein dem Teilungsträger zugeordnetes Gelenk im
Bereich von dessen Mitte befindet; 4a a variant of the arrangement 2a in that a joint associated with the graduation carrier is in the region of the center thereof;
4b eine
schematische Draufsicht auf die Anordnung gemäß 4a; 4b a schematic plan view of the arrangement according to 4a ;
5 eine
Variante der Anordnung aus 2a dahingehend,
dass zwei Teilungsträger entlang der Messrichtung hintereinander
angeordnet sind; 5 a variant of the arrangement 2a in that two graduation carriers are arranged one behind the other along the measuring direction;
6a eine
erstes Detail der Anordnung aus 2a; 6a a first detail of the arrangement 2a ;
6b eine
zweites Detail der Anordnung aus 2a; 6b a second detail of the arrangement 2a ;
7 eine
erste Abwandlung der Anordnung aus 2a; 7 a first modification of the arrangement 2a ;
8 eine
zweite Abwandlung der Anordnung aus 2a; 8th a second modification of the arrangement 2a ;
9 eine
dritte Abwandlung der Anordnung aus 2a; 9 a third modification of the arrangement 2a ;
In
den bereits vorstehend kurz erläuterten 1a und 1b repräsentieren
das Maschinenbett 1 und der Schlitten 2 beispielhaft
zwei Objekte, die entlang einer Richtung R zueinander beweglich sind
und deren Position zueinander mittels einer zugeordneten Positionsmesseinrichtung
zu bestimmen ist. Die nachfolgend beispielhaft für die
Positionsmessung an einem ersten Objekt in Form eines Maschinenbettes
und einem zweiten Objekt in Form eines Schlittens beschriebenen
Ausführungsbeispiele einer Positionsmesseinrichtung lassen
sich in gleicher Weise auch an anderen Kombinationen zweier zueinander
bewegbarer Objekte verwirklichen. Die Begriffe „Maschinenbett” und „Schlitten” sind
daher nachfolgend jeweils lediglich als beispielhafte Charakterisierungen
zweier zueinander beweglicher Objekte zu verstehen. Die Ausführungen über
das jeweils zu beschreibende Positionsmesssystem gelten in gleicher
Weise auch bei dessen Anwendung auf andere zueinander bewegliche
Objekte.In the already briefly explained above 1a and 1b represent the machine bed 1 and the sled 2 By way of example, two objects that are movable relative to one another along a direction R and whose position is to be determined by means of an associated position-measuring device. The exemplary embodiments of a position-measuring device described below by way of example for the position measurement on a first object in the form of a machine bed and a second object in the form of a slide can be realized in the same way also on other combinations of two mutually movable objects. The terms "machine bed" and "slide" are therefore to be understood hereinafter only as exemplary characterizations of two mutually movable objects. The statements about the position measuring system to be described in each case apply in the same way also to its application to other mutually movable objects.
Um
die Position des zweiten Objektes 2 in Form eines Schlittens
bezüglich des ersten Objektes 1 in Form eines
Maschinenbettes für eine jede Relativlage dieser beiden
Objekte bestimmen zu können, ist diesen Objekten 1, 2 eine
Positionsmesseinrichtung 3, 4 zugeordnet, die
einen Teilungsträger 4 und eine zugeordnete Abtasteinheit 3 umfasst.To the position of the second object 2 in the form of a carriage relative to the first object 1 in the form of a machine bed for each relative position of these two objects to determine is these objects 1 . 2 a position measuring device 3 . 4 assigned to a graduation carrier 4 and an associated scanning unit 3 includes.
Der
Teilungsträger 4 trägt eine Teilungsstruktur
(Messteilung), die sich entlang der Bewegungsrichtung R erstreckt,
entlang der der Schlitten 2 bezüglich des Maschinenbettes 1 beweglich
ist. Die Messrichtung des Positionsmesssystems fällt somit mit
der Bewegungsrichtung R zusammen, entlang der das zweite Objekt 2 in
Form eines Schlittens bezüglich des ersten Objektes 1 in
Form eines Maschinenbettes verfahrbar ist.The graduation carrier 4 carries a pitch structure (measurement pitch) extending along the direction of travel R along the carriage 2 concerning the machine bed 1 is mobile. The measuring direction of the position measuring system thus coincides with the direction of movement R, along which the second object 2 in the form of a carriage relative to the first object 1 in the form of a machine nenbettes is movable.
Bei
der am Teilungsträger 4 vorgesehenen, entlang
der Bewegungs- und Messrichtung R erstreckten Teilungsstruktur kann
es sich beispielsweise um eine Inkrementalteilung oder alternativ
um eine absolut kodierte Spur handeln. Auch eine Kombination mehrerer
Teilungsstrukturen kann vorgesehen sein, etwa eine Kombination einer
Inkrementalteilung mit einer absolut kodierten Spur oder mit einer
Referenzmarkenspur.At the graduation bearer 4 provided, along the movement and measurement direction R extending pitch structure may be, for example, an incremental pitch or alternatively an absolutely coded track. A combination of several graduation structures can also be provided, for example a combination of an incremental graduation with an absolutely coded track or with a reference mark track.
Sollte
das zweite Objekt 2 in Form eines Schlittens entlang mehrerer
Raumrichtungen bezüglich des ersten Objektes 1 in
Form eines Maschinenbettes beweglich sein, so wären gegebenenfalls
für jede zu messende Bewegungsrichtung entsprechende Mittel
zur Positionsmessung vorzusehen.Should be the second object 2 in the form of a carriage along several spatial directions with respect to the first object 1 be movable in the form of a machine bed, it would be appropriate to provide appropriate means for position measurement for each direction of movement to be measured.
Für
eine Abtastung einer am Teilungsträger 4 vorgesehenen
Teilungsstruktur mittels der Abtasteinheit 3 stehen unterschiedliche
physikalische Messprinzipien, wie zum Beispiel induktive Messprinzipien,
magnetische Messprinzipien oder fotoelektrische Messprinzipien,
zur Verfügung.For a sample one at the graduation carrier 4 provided division structure by means of the scanning unit 3 Different physical measuring principles, such as inductive measuring principles, magnetic measuring principles or photoelectric measuring principles, are available.
Sowohl
hinsichtlich der möglichen Ausgestaltungen mindestens einer
Teilungsstruktur am Teilungsträger 4 als auch
hinsichtlich der zur Abtastung der Teilungsstruktur dienenden Messprinzipien
unter Verwendung einer geeigneten Abtasteinheit 3 sei auf das Fachbuch
Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme
für den Maschinenbau und die Elektroindustrie von Alfons
Ernst (Landsberg/Lech: 1998; 3. Aufl.) verwiesen. Die dort
erläuterten Ausgestaltungen von Teilungsstrukturen an Teilungsträgern
sowie die dort beschriebenen Messprinzipien bei der Abtastung einer
Teilungsstruktur sowie noch weitere Typen von Teilungsstrukturen und
Messprinzipien sind auf dem Gebiet der Positionsmessung allgemein
bekannt und im Rahmen der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
von Positionsmesseinrichtungen anwendbar.Both with regard to the possible embodiments of at least one graduation structure on the graduation carrier 4 as well as with regard to the measuring principles used to scan the graduation structure using a suitable scanning unit 3 be on that Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Position measuring systems for mechanical engineering and the electrical industry by Alfons Ernst (Landsberg / Lech: 1998; 3rd ed.) directed. The embodiments of graduation structures on graduation carriers explained there and the measuring principles described there in the sampling of a graduation structure as well as still further types of graduation structures and measurement principles are generally known in the field of position measurement and can be used within the scope of the embodiments of position measuring devices described herein.
Welche
konkrete Ausführungsform einer Teilungsstruktur und welches
konkrete Messprinzip zur Abtastung der Teilungsstruktur verwendet
werden, ist für die nachfolgende Beschreibung des Erfindungsprinzips
anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nicht von Bedeutung.Which
concrete embodiment of a division structure and which
concrete measuring principle used for scanning the graduation structure
is for the following description of the principle of the invention
on the basis of several embodiments is not important.
Wird
das zweite Objekt 2 in Form eines Schlittens gemäß dem Übergang
von 1a zu 1b entlang
seiner Bewegungsrichtung R bezüglich des ersten Objektes 1 in
Form eines Maschinenbettes verfahren, so wirken auf das erste Objekt 1 in Form
des Maschinenbettes Biegekräfte, welche eine – in 1b zur
Illustration übertrieben dargestellte – Biegung
des Maschinenbettes 1 zur Folge haben. Da der Teilungsträger 4 in üblicher
Weise am ersten Objekt 1 in Form des Maschinenbettes fixiert
ist, wird der Teilungsträger – je nach dem Ort
seiner Anbringung am Maschinenbett – gedehnt oder gestaucht,
mit entsprechenden Rückwirkungen auf die Genauigkeit der Positionsmessung.Becomes the second object 2 in the form of a carriage according to the transition from 1a to 1b along its direction of movement R with respect to the first object 1 in the form of a machine bed, act on the first object 1 in the form of the machine bed bending forces, which a - in 1b exaggerated illustration - Bending of the machine bed 1 have as a consequence. As the division carrier 4 in the usual way on the first object 1 is fixed in the form of the machine bed, the graduation carrier - depending on the location of its attachment to the machine bed - stretched or compressed, with corresponding repercussions on the accuracy of the position measurement.
Nachfolgend
wird anhand der 2a bis 9 für
unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt werden,
wie sich durch eine definiert kipp- bzw. schwenkbare Lagerung des
Teilungsträgers 4 eine Stauchung bzw. Dehnung
des Teilungsträgers 4 trotz einer Durchbiegung
des Maschinenbetts 1 vermeiden lässt.The following is based on the 2a to 9 be represented for different embodiments, as defined by a tiltable or pivotable mounting of the graduation carrier 4 a compression or elongation of the graduation carrier 4 despite a bending of the machine bed 1 avoid it.
Gemäß dem
Ausführungsbeispiel der 2a und 2b ist
der Teilungsträger 4 über ein Festkörpergelenk 5 in
Form einer Blattfeder schwenkbar am beweglichen zweiten Objekt 2 in Form
eines Schlittens angelenkt und somit indirekt am ortsfesten ersten
Objekt 1 in Form eines Maschinenbettes gelagert. Ein solches
Gelenk 5 lässt Schwenkbewegungen des Teilungsträgers 4 um
eine Kippachse senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung R zu, so
dass die resultierende Schwenkbewegung eine Komponente senkrecht
zu jener Richtung R aufweist. Die Blattfeder 5 ist hierzu
parallel zur Bewegungs- und Messrichtung R und senkrecht zur Zeichenebene
der 2a angeordnet. Alternativ kann das Gelenk 5 beispielsweise
auch durch ein Filmscharnier oder eine in anderer Weise ausgebildete Schwenkachse
gebildet werden.According to the embodiment of the 2a and 2 B is the division bearer 4 over a solid-state joint 5 in the form of a leaf spring pivotally movable on the second object 2 articulated in the form of a carriage and thus indirectly on the fixed first object 1 stored in the form of a machine bed. Such a joint 5 allows pivoting movements of the graduation carrier 4 about a tilt axis perpendicular to the movement and measurement direction R, so that the resulting pivotal movement has a component perpendicular to that direction R. The leaf spring 5 is this parallel to the movement and measurement direction R and perpendicular to the plane of the 2a arranged. Alternatively, the joint 5 For example, be formed by a film hinge or a trained otherwise pivot axis.
Weiterhin
ist das Gelenk 5, z. B. durch dessen Ausgestaltung als
Blattfeder oder als Filmscharnier, derart ausgebildet, dass es Translationsbewegungen
des Teilungsträgers 4 bezüglich des Gelenkes 5 und
des Schlittens 2 und somit bei ruhendem Schlitten 2 auch
bezüglich des Maschinenbettes 1 entlang der Messrichtung
R entgegenwirkt, also nicht in spürbarem Umfang zulässt
(und somit verhindert). D. h., das Gelenk 5 weist insbesondere
keine substantielle (elastische) Deformierbarkeit entlang der Messrichtung
R auf, ist also in Messrichtung R im Wesentlichen starr.Furthermore, the joint 5 , z. B. by its design as a leaf spring or as a film hinge, designed such that it translational movements of the graduation carrier 4 concerning the joint 5 and the sled 2 and thus with a resting sleigh 2 also regarding the machine bed 1 counteracts along the measuring direction R, so does not allow (and thus prevented) to a noticeable extent. That is, the joint 5 in particular has no substantial (elastic) deformability along the measuring direction R, ie it is essentially rigid in the measuring direction R.
Dabei
ist der Teilungsträger 4 gemäß 2a nicht
nur im Bereich seines einen Endes mittels des Festkörpergelenkes 5 in
Form einer Blattfeder schwenkbar am Schlitten 2 angelenkt;
sondern im Bereich des – entlang der Bewegungs- und Messrichtung
R betrachtet – anderen Endes des Teilungsträgers 4 ist
eine weitere gelenkige Lagerung vorgesehen, und zwar vorliegend
beispielhaft über eine weitere Blattfeder 6 an
einem Gleiter 20, der gemeinsam mit dem Schlitten 2 entlang
der Bewegungs- und Messrichtung R verfahrbar am ersten Objekt 1 in Form
eines Maschinenbettes angeordnet ist. (Die zweite Lagerstelle bzw.
das zweite Gelenk 6 ist also entlang der Bewegungs- und
Messrichtung R von der ersten Lagerstelle bzw. dem ersten Gelenk 5 beabstandet.)
Am Maschinenbett 1 ist dabei eine Verlängerung 15 vorgesehen,
die sich entlang der Bewegungs- und Messrichtung R erstreckt und
bei einer Bewegung des Schlittens 2 entlang des Maschinenbettes 1 den
Gleiter 20 führt, vergleiche 2b.Here is the graduation carrier 4 according to 2a not only in the area of its one end by means of the solid-state joint 5 in the form of a leaf spring pivoting on the carriage 2 hinged; but in the region of the - viewed along the movement and measuring direction R - the other end of the graduation carrier 4 another articulated bearing is provided, in the present example by way of another leaf spring 6 on a glider 20 who shared the sled 2 along the movement and measuring direction R movable on the first object 1 is arranged in the form of a machine bed. (The second bearing point or the second joint 6 is therefore along the movement and measuring direction R of the first bearing or the first joint 5 beab stands.) At the machine bed 1 is an extension 15 provided, which extends along the movement and measuring direction R and during a movement of the carriage 2 along the machine bed 1 the glider 20 leads, compare 2 B ,
Im
Vergleich zu dem ersten Gelenk 5, welches insbesondere
Schwenkbewegungen des Teilungsträgers 4 um eine
senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung R verlaufende Achse zulässt,
derart, dass die resultierende Schwenkbewegung für kleine
Auslenkungen des Teilungsträgers 4 im Wesentlichen
senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung R verläuft, ist
das weitere Gelenk 6 so ausgestaltet, dass es vor allem
Translationsbewegungen senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung
R entgegenwirkt und dafür entlang der weiteren Freiheitsgrade
Ausgleichsbewegungen zulässt, die mit einer Schwenkbewegung
am ersten Gelenk 5 einhergehen. Hierzu kann z. B. eine
das zweite Gelenk 6 bildende Blattfeder so angeordnet sein,
dass sie sich senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung R erstreckt,
also jene Richtung R eine Normale auf die Blattfeder 6 bildet.
Selbstverständlich kann auch das zweite Gelenk durch andere
Elemente als eine weitere Blattfeder realisiert werden; angestrebt
wird jedoch eine solche Ausgestaltung, die Translationsbewegungen
des Teilungsträgers 4 senkrecht zur Bewegungs-
und Messrichtung R entgegenwirkt, also möglichst verhindert.Compared to the first joint 5 , which in particular pivotal movements of the graduation carrier 4 permitting an axis perpendicular to the direction of movement and measurement R extending axis, such that the resulting pivoting movement for small deflections of the graduation carrier 4 is substantially perpendicular to the movement and measuring direction R, the other joint 6 designed so that it mainly counteracts translational movements perpendicular to the movement and measurement direction R and allows compensation movements along the other degrees of freedom that with a pivoting movement at the first joint 5 accompanied. For this purpose, z. B. a second joint 6 forming leaf spring may be arranged so that it extends perpendicular to the movement and measurement direction R, ie that direction R a normal to the leaf spring 6 forms. Of course, the second joint can be realized by other elements than another leaf spring; However, the aim is such an embodiment, the translation movements of the graduation carrier 4 perpendicular to the direction of movement and measurement counteracts R, so preferably prevented.
Im
Ergebnis ist der Teilungsträger 4 vorliegend über
das Gelenk 5 am verfahrbaren Objekt 2, hier in
Form eines Schlittens, schwenkbar gelagert, so dass der Teilungsträger 4 bei
einer Biegung des Maschinenbettes 1 – aufgrund
einer hiermit verbundenen geringfügigen Schrägstellung
des Schlittens 2 – geringfügig verschwenkt,
nicht aber gestaucht oder gedehnt, wird, und zwar in der Weise,
dass die resultierende Schwenkbewegung s, vergleiche 2b, eine
Komponente senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung R aufweist.The result is the division carrier 4 in this case via the joint 5 on the movable object 2 , here in the form of a carriage, pivotally mounted, so that the graduation carrier 4 at a bend of the machine bed 1 - Due to a hereby associated slight inclination of the carriage 2 - Slightly pivoted, but not compressed or stretched, in such a way that the resulting pivotal movement s, compare 2 B , a component perpendicular to the movement and measurement direction R has.
Durch
die gelenkige Anordnung des Teilungsträgers 4 am
zweiten Objekt 2 in Form des Schlittens und somit eine
indirekt verkippbare Lagerung des Teilungsträgers 4 bezüglich
des ersten Objektes 1 in Form des Maschinenbettes führen
Biegungen jenes ersten Objektes 1 nicht zu Stauchungen oder
Dehnungen des Teilungsträgers 4, hier in Form eines
Maßstabes, sondern lediglich zu einer Kipp- bzw. Schwenkbewegung,
die keinen Einfluss auf die Struktur am Teilungsträger 4 vorgesehene
Messteilung hat, so dass die Messgenauigkeit der Positionsmesseinrichtung
nicht beeinträchtigt wird.Due to the articulated arrangement of the graduation carrier 4 at the second object 2 in the form of the carriage and thus an indirectly tiltable storage of the graduation carrier 4 with respect to the first object 1 in the form of a machine bed bend the first object 1 not to upsets or strains of the graduation carrier 4 here in the form of a scale, but only to a tilting or pivoting movement, which has no effect on the structure of the graduation carrier 4 provided measuring graduation, so that the measurement accuracy of the position measuring device is not affected.
Hierbei
ist zu berücksichtigen, dass in der Praxis nur äußerst
geringe Durchbiegungen des ersten Objektes 1 in Form eines
Maschinenbettes auftreten (welche in 2b zur
besseren Sichtbarmachung übertrieben dargestellt sind).
Dementsprechend treten auch nur äußerst geringe
Auslenkungen (Kipp- bzw. Schwenkbewegungen) des Teilungsträgers 4 auf.It should be noted that in practice only very small deflections of the first object 1 occur in the form of a machine bed (which in 2 B are exaggerated for better visualization). Accordingly, only very small deflections (tilting or pivoting movements) of the graduation carrier occur 4 on.
Ergänzend
sei hinsichtlich der Anordnung und Ausbildung der beiden Gelenke 5, 6 auf
die 6a und 6b verwiesen.It should be added in terms of the arrangement and design of the two joints 5 . 6 on the 6a and 6b directed.
6a zeigt
eine schematische Draufsicht auf die gelenkige Anbindung des Teilungsträgers 4 an
dem Schlitten 2 über ein durch eine Blattfeder
gebildetes Gelenk 5. Es wird deutlich, dass sich in diesem
Ausführungsbeispiel die Blattfeder 5 in einer Ebene
erstreckt, die parallel zu der Ebene verläuft, in der die
am Teilungsträger 4 vorgesehene und in 6a schematisch
angedeutete Messteilung 40 liegt. 6a shows a schematic plan view of the articulated connection of the graduation carrier 4 on the sledge 2 via a joint formed by a leaf spring 5 , It is clear that in this embodiment, the leaf spring 5 extending in a plane that runs parallel to the plane in which the at the graduation carrier 4 provided and in 6a schematically indicated measuring graduation 40 lies.
6b zeigt
zur genaueren Illustration eine Vorderansicht auf die Anordnung
der 2a im Bereich des zweiten Gelenkes 6, über
das der Teilungsträger 4 gelenkig (im Bereich
seines dem Schlitten 2 abgewandten Endes) an einen Gleiter 20 angebunden
ist, wobei jenes Gelenk 6 derart ausgeführt ist, dass
es Translationen des Teilungsträgers 4 bezüglich
des Gleiters 20 in der Ebene senkrecht zur Bewegungs- und
Messrichtung R, also in der Blattebene der 6b, entgegenwirkt. 6b shows for a more detailed illustration a front view of the arrangement of 2a in the area of the second joint 6 about which the division bearer 4 articulated (in the area of his sled 2 remote end) to a slider 20 tethered, being that joint 6 is designed such that there are translations of the graduation carrier 4 concerning the slider 20 in the plane perpendicular to the movement and measurement direction R, ie in the sheet plane of the 6b , counteracts.
Anhand
einer Zusammenschau der 2a mit
den 6a und 6b wird
deutlich, dass die das erste Gelenk 5 bildende Blattfeder
und die das zweite Gelenk 6 bildende Blattfeder senkrecht
zueinander orientiert sind, nämlich die das erste Gelenk 5 bildende
Blattfeder parallel zur Ebene der mindestens einen Teilungsstruktur 40 und
die das zweite Gelenk 6 bildende Blattfeder senkrecht zur
Ebene der Teilungsstruktur 40.Based on a synopsis of 2a with the 6a and 6b it becomes clear that the first joint 5 forming leaf spring and the second joint 6 forming leaf spring are oriented perpendicular to each other, namely the first joint 5 forming leaf spring parallel to the plane of the at least one division structure 40 and the second joint 6 forming leaf spring perpendicular to the plane of the division structure 40 ,
Eine
mögliche Anordnung mindestens einer Teilungsstruktur 40 am
Teilungsträger 4 ist dabei in den 2a, 2b sowie
den zugehörigen Detaildarstellungen der 6a und 6b lediglich
beispielhaft gezeigt. Eine vergleichbare Anordnung einer Teilungsstruktur
am Teilungsträger 4 kann auch bei den weiteren
Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Grundsätzlich
zählt die Anordnung einer Teilungsstruktur an einem Teilungsträger,
sei es ein längserstreckter Maßstab oder eine
kreisringförmige Teilscheibe, zum Fachwissen und bedarf
daher keiner näheren Erläuterung.A possible arrangement of at least one division structure 40 at the graduation carrier 4 is doing in the 2a . 2 B as well as the associated detailed representations of 6a and 6b shown only as an example. A comparable arrangement of a division structure on the graduation carrier 4 can also be provided in the other embodiments. In principle, the arrangement of a dividing structure on a graduation carrier, be it an elongate scale or an annular dividing disk, is part of the specialist knowledge and therefore requires no further explanation.
In 3 ist
schematisch die gelenkige Anlenkung des Teilungsträgers 4 an
einem Schlitten 2 über ein Gelenk 5,
hier in Form einer Blattfeder dargestellt, wodurch an einer Kante
des Teilungsträgers 4 eine Schwenk- bzw. Kippachse
K definiert ist. Liegt diese in der Arbeitsebene A der Positionsmesseinrichtung,
so sind Rückwirkungen einer Kipp- bzw. Schwenkbewegung
des Teilungsträgers 4 (entsprechend einem Übergang
des Teilungsträgers in die mit 4* gekennzeichnete
Lage) auf das Ergebnis einer Positionsmessung minimiert. Die so
genannte Abbé-Bedingung ist dann eingehalten.In 3 is schematically the articulated linkage of the graduation carrier 4 on a sledge 2 about a joint 5 , shown here in the form of a leaf spring, whereby at one edge of the graduation carrier 4 a pivoting or tilting axis K is defined. If this is in the working level A of the position measuring device, then repercussions of a tilting or Pivoting movement of the graduation carrier 4 (corresponding to a transition of the graduation carrier in the with 4 * characterized position) is minimized to the result of a position measurement. The so-called Abbé condition is then met.
Ist
die Arbeitsebene A', wie in 3 alternativ
dargestellt, demgegenüber senkrecht zur Bewegungs- und
Messrichtung R um einen Betrag d von jener Kippachse K beabstandet,
so führt eine Verkippung des Teilungsträgers 4,
wie in 3 anhand des Überganges in die verkippte
Lage 4* dargestellt, bei einem Kippwinkel α (für
sehr kleine Kippwinkel) zu einer Messabweichung der Größe
l = α·d (mit sin α ≈ α für
kleine α). Die Abbé-Bedingung ist dann nicht eingehalten.Is the work plane A ', as in 3 alternatively shown, on the other hand perpendicular to the movement and measurement direction R by an amount d of that tilt axis K spaced apart, so leads to a tilting of the graduation carrier 4 , as in 3 based on the transition to the tilted position 4 * shown, at a tilt angle α (for very small tilt angle) to a measurement error of size l = α · d (with sin α ≈ α for small α). The Abbé condition is then not met.
Sollte
der mit der mindestens einen Teilungsstruktur versehene Teilungsträger 4 aus
einem sehr dünnen Material bestehen, so kann für
eine schwenkbare Lagerung des Teilungsträgers 4 dessen
Fixierung an einem dickeren Trägerkörper erforderlich sein,
um die notwendige Eigenstabilität zu gewährleisten.Should the graduation carrier provided with the at least one graduation structure 4 consist of a very thin material, so may for a pivotable mounting of the graduation carrier 4 its fixation on a thicker carrier body may be required to ensure the necessary inherent stability.
In
den 7 bis 9 ist für eine Positionsmesseinrichtung
der in den 2a und 2b dargestellten
Art für unterschiedliche Lagen der neutralen Drehachse
x gezeigt, wie die Kipp- bzw. Schwenkachse K des Teilungsträgers 4 jeweils
konkret anzuordnen ist.In the 7 to 9 is for a position measuring device in the 2a and 2 B shown type for different positions of the neutral axis of rotation x shown as the tilting or pivot axis K of the graduation carrier 4 each is to be arranged concrete.
Dabei
ist in den 7 bis 9 eine Arbeitsebene
A jeweils dadurch kenntlich gemacht, dass dort eine Bearbeitungseinrichtung 8 zur
Bearbeitung eines auf dem Schlitten 2 angeordneten Werkstückes bzw.
zum Vermessen eines auf dem Schlitten 2 angeordneten Objektes
dargestellt ist. Bei der Bearbeitungseinrichtung 8 kann
es sich beispielsweise um einen Laser mit einer nachgeordneten Linse
zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein auf dem Schlitten 2 liegendes,
zu bearbeitendes Werkstück, wie z. B. ein Blechteil, handeln.
Es kann sich aber auch um Mittel zur Belichtung eines Wafers oder
sonstige Arbeitmittel handeln, die der Bearbeitung eines auf dem Schlitten 2 liegenden
Werkstückes dienen. Die Arbeitsebene A liegt dann unmittelbar
oberhalb der Oberfläche des Schlittens 2, auf
dem ja das zu bearbeitende Werkstück bzw. das zu vermessende
Objekt platziert wird.It is in the 7 to 9 a working level A respectively identified by the fact that there is a processing facility 8th for processing one on the slide 2 arranged workpiece or for measuring one on the carriage 2 arranged object is shown. At the processing facility 8th For example, it may be a laser having a downstream lens for focusing a laser beam onto one on the carriage 2 lying, to be machined workpiece such. B. a sheet metal part act. But it can also be means for exposing a wafer or other work equipment, the processing of a on the slide 2 serve lying workpiece. The working plane A is then immediately above the surface of the carriage 2 on which the workpiece to be machined or the object to be measured is placed.
In
den 7 bis 9 ist weiterhin in der Arbeitsebene
A jeweils noch die neutrale Drehachse x der Positionsmesseinrichtung
als Kreuz in einem Kreis angedeutet, bezüglich der eine
relative Schwenkbewegung von Teilungsträger 4 und
Abtasteinheit 3 nicht zu substanziellen Messabweichungen
führt. Sowohl diese neutrale Drehachse x als auch die Arbeitsebene
A, die mit der durch die neutrale Drehachse x und die Messrichtung
R aufgespannten neutralen Ebene zusammenfällt, verlaufen hier
senkrecht zu der Zeichenebene der 7 bis 9.In the 7 to 9 Furthermore, in the working plane A, the neutral rotation axis x of the position-measuring device is also indicated as a cross in a circle, with respect to which there is a relative pivoting movement of graduation carriers 4 and scanning unit 3 does not lead to substantial measurement deviations. Both this neutral axis of rotation x and the working plane A, which coincides with the plane defined by the neutral axis of rotation x and the measuring direction R neutral plane, here perpendicular to the plane of the drawing 7 to 9 ,
In
den 7 bis 9 ist jeweils ein erstes Objekt 1 in
Form eines Maschinenbettes dargestellt, auf dem ein zweites Objekt 2 in
Form eines Schlittens entlang einer Bewegungsrichtung R beweglich
angeordnet ist.In the 7 to 9 is in each case a first object 1 represented in the form of a machine bed on which a second object 2 is movably arranged in the form of a carriage along a direction of movement R.
Am
Schlitten 2 ist jeweils über ein Gelenk 5 (Festkörpergelenk
nach Art eines Filmscharnieres), welches eine Kipp- bzw. Schwenkachse
K definiert, ein Teilungsträger 4 kippbar angelenkt,
dessen mindestens eine Teilungsstruktur mittels einer zugeordneten
Abtasteinheit 3 abtastbar ist. Diese Kippachse K verläuft
parallel zur neutralen Schwenkachse x der Positionsmesseinrichtung
und liegt in deren neutraler Ebene.At the sled 2 is each about a joint 5 (Solid-state hinge in the manner of a film hinge), which defines a tilting or pivoting axis K, a graduation carrier 4 articulated tiltably, the at least one division structure by means of an associated scanning unit 3 is palpable. This tilting axis K runs parallel to the neutral pivot axis x of the position-measuring device and lies in its neutral plane.
Die
Abtasteinheit 3 liegt hier vor der dem ersten Objekt 1 in
Form eines Maschinenbettes abgewandten Seite des Teilungsträgers 4;
sie ist jedoch gemeinsam mit dem Maschinenbett 1 ortsfest
angeordnet, so dass durch Abtastung der am Teilungsträger 4 vorgesehenen
Teilungsstruktur mittels der Abtasteinheit 3 Positionsänderungen
des Schlittens 2 bezüglich des Maschinenbettes 1 erfassbar
sind.The scanning unit 3 is here before the first object 1 in the form of a machine bed side facing away from the graduation carrier 4 ; however, it is common with the machine bed 1 arranged stationary, so that by scanning the on the graduation carrier 4 provided division structure by means of the scanning unit 3 Position changes of the carriage 2 concerning the machine bed 1 are detectable.
Das
jeweilige Gelenk 5, über das der Teilungsträger 4 kippbar
am bewegbaren zweiten Objekt 2 in Form des Schlittens angelenkt
ist, wird dabei jeweils so ausgeführt, dass es eine senkrecht
zur Bewegungs- und Messrichtung R erstreckte Kippachse K definiert
und Kippbewegungen des Teilungsträgers 4 um jene
Achse K – für kleine Auslenkungen aus der in den 7 bis 9 dargestellten
Ausgangslage des Teilungsträgers 4 – jeweils
im Wesentlichen senkrecht zu jener Richtung R erfolgen.The respective joint 5 about which the division bearer 4 tiltable on the movable second object 2 is articulated in the form of the carriage is in each case carried out so that it defines a perpendicular to the movement and measuring direction R extending tilting axis K and tilting movements of the graduation carrier 4 around that axis K - for small deflections from the into the 7 to 9 illustrated starting position of the graduation carrier 4 - take place in each case substantially perpendicular to that direction R.
Der
Teilungsträger 4 ist bei den Anordnungen der 7 bis 9 im
Bereich eines von dem Kippgelenk 5 beabstandeten Endabschnittes
jeweils zusätzlich über ein Lager 7 gelagert,
wie weiter oben anhand der 2a und 2b bereits
im Einzelnen beschrieben. Es ist hier ein einfaches Rollenlager dargestellt;
die Verwendung anderer Lager ist, wie oben bereits erwähnt,
ebenso möglich.The graduation carrier 4 is in the arrangements of the 7 to 9 in the area of one of the tilting joint 5 spaced end portion in each case additionally via a bearing 7 stored, as above on the basis of 2a and 2 B already described in detail. It is shown here a simple roller bearing; the use of other bearings is also possible, as mentioned above.
Die
Anordnungen der 7 bis 9 unterscheiden
sich in der Lage der neutralen Drehachse x und damit der Lage der
neutralen Ebene (die mit der Arbeitsebene A zusammenfällt)
der jeweiligen Positionsmesseinrichtung, welche wiederum von der
konkreten Ausführung des Teilungsträgers 4,
der daran vorgesehenen Teilungsstruktur(en) sowie der Abtasteinheit 3 abhängt.The arrangements of 7 to 9 differ in the position of the neutral axis of rotation x and thus the position of the neutral plane (which coincides with the working plane A) of the respective position measuring device, which in turn of the specific embodiment of the graduation carrier 4 , the dividing structure (s) provided thereon and the scanning unit 3 depends.
Bei
der Anordnung gemäß 7 liegt
die neutrale Drehachse x in einer der Abtasteinheit 3 zugewandten
Oberfläche des Teilungsträgers 4; bei
der Anordnung gemäß 8 liegt
die neutrale Drehachse x in der Abtasteinheit 3 und bei
der Anordnung gemäß 9 liegt
sie in dem Teilungsträger 4. In allen drei Fällen
ist das die Kippachse K definierende Gelenk 5 jeweils so
ausgestaltet, dass die Schwenkachse K in der jeweiligen neutralen
Ebene und parallel zur Drehachse x liegt.In the arrangement according to 7 is the neutral axis of rotation x in one of the scanning unit 3 to facing surface of the graduation carrier 4 ; in the arrangement according to 8th is the neutral axis of rotation x in the scanning unit 3 and in the arrangement according to 9 she lies in the graduation carrier 4 , In all three cases, the joint defining the tilting axis K is 5 each configured so that the pivot axis K is in the respective neutral plane and parallel to the axis of rotation x.
Somit
ist es bei geeigneter Anordnung und Ausgestaltung des zur gelenkigen
Lagerung des Teilungsträgers 4 dienenden Gelenkes 5,
wie anhand der 7 bis 9 gezeigt, ohne
Weiteres möglich, eine angestrebte Anordnung der jeweiligen
Kippachse K in der Arbeitsebene A bzw. in der neutralen Ebene der
Positionsmesseinrichtung zu realisieren.Thus, it is with a suitable arrangement and design of the articulated mounting of the graduation carrier 4 serving joint 5 as based on the 7 to 9 shown, readily possible to realize a desired arrangement of the respective tilt axis K in the working plane A and in the neutral plane of the position measuring device.
Wie
anhand der 4a und 4b deutlich wird,
muss das eine Kippachse K definierende erste Gelenk 5, über
das der Teilungsträger 4 gelenkig gelagert ist,
keineswegs zwingend an einem Ende des Teilungsträgers 4 vorgesehen
sein. Gemäß den 4a und 4b,
wobei 4b eine Draufsicht auf die Anordnung
der 4a ohne das Maschinenbett 1 darstellt,
ist das besagte Gelenk 5 vielmehr im mittleren Bereich
des Teilungsträgers 4 vorgesehen. Hierzu steht
vom zweiten Objekt 2 in Form eines Schlittens ein Verbindungselement 22 ab,
welches den Teilungsträger 4 übergreift
und an welchem neben beiden Längsseiten des Teilungsträgers 4 zur Bildung
eines Gelenkes jeweils eine Blattfeder 5 angeordnet ist,
die wiederum über jeweils ein trägerseitiges Verbindungselement 42 mit
dem Teilungsträger 4 in Verbindung steht.As based on the 4a and 4b becomes clear, which must be a tilting axis K defining first joint 5 about which the division bearer 4 articulated, by no means mandatory at one end of the graduation carrier 4 be provided. According to the 4a and 4b , in which 4b a plan view of the arrangement of 4a without the machine bed 1 represents, is said joint 5 rather in the middle area of the graduation carrier 4 intended. This is indicated by the second object 2 in the form of a carriage, a connecting element 22 which is the division carrier 4 overlaps and on which next to both sides of the graduation carrier 4 to form a joint in each case a leaf spring 5 is arranged, in turn, via each a carrier-side connecting element 42 with the graduation carrier 4 communicates.
Gemäß 5 kann
vorgesehen sein (zur Vermeidung des Einsatzes von Teilungsträgern,
z. B. in Form eines entlang der Bewegungs- und Messrichtung R erstreckten
Maßstabes, die eine besonders große Ausdehnung
aufweisen und dementsprechend bei gelenkiger Lagerung besonders
schwingungsempfindlich wären), mindestens zwei Teilungsträger 4a, 4b,
die jeweils eine entlang der Bewegungs- und Messrichtung R erstreckte
Teilungsstruktur aufweisen, entlang jener Richtung R hintereinander
anzuordnen, also im Ergebnis eine Teilungsstruktur auf mehrere Teilungsträger
zu verteilen.According to 5 can be provided (to avoid the use of graduation carriers, for example in the form of a scale along the direction of movement and measurement R, which have a particularly large extent and would therefore be particularly sensitive to vibration in articulated storage), at least two graduation carriers 4a . 4b , each of which has a division structure extended along the movement and measurement direction R, to be arranged one behind the other along that direction R, that is to say as a result distributing a division structure over a plurality of division carriers.
Der
erste Teilungsträger 4a ist dann in der bereits
anhand der 2a und 2b beschriebenen
Weise über ein erstes Gelenk 5a schwenkbar am bewegbaren
zweiten Körper (Schlitten 2) angelenkt und mit
seinem anderen Ende über ein weiteres (zweites) Gelenk 6a,
welches Translationsbewegungen senkrecht zur Bewegungs- und Messrichtung
R entgegenwirkt, mit einem Gleiter 20a verbunden, der ebenso
wie der Schlitten 2 beweglich am ersten Körper
(Maschinenbett 1) geführt ist.The first graduation carrier 4a is then in the already using the 2a and 2 B way described above a first joint 5a pivotable on the movable second body (slide 2 ) and with its other end on another (second) joint 6a , which counteracts translational movements perpendicular to the movement and measurement direction R, with a slider 20a connected, as well as the sled 2 movable on the first body (machine bed 1 ) is guided.
An
jenem Gleiter 20a ist gemäß 5 über ein
zusätzliches erstes Gelenk 5b, welches ebenso wie
das obige erste Gelenk 5a eine Schwenkachse definiert,
der zweite Teilungsträger 4b angelenkt, der im
Bereich seines anderen Endes wiederum über ein zweites
Gelenk 6b, welches Translationen senkrecht zur Bewegungs-
und Messrichtung R entgegenwirkt, gelenkig an einem dortigen Gleiter 20b angebunden ist.At that glider 20a is according to 5 via an additional first joint 5b which as well as the above first joint 5a defines a pivot axis, the second graduation carrier 4b hinged, which in turn at the other end via a second joint 6b , which counteracts translations perpendicular to the movement and measurement direction R, hinged to a slider there 20b is connected.
Zusammenfassend
sind also bei der Anordnung der 5 zwei Teilungsträger 4a, 4b in
Form zweier Maßstäbe entlang der Bewegungs- und Messrichtung
R hintereinander angeordnet und dabei jeweils in der Weise gelenkig
gelagert, dass das jeweils zugeordnete erste Gelenk 5a, 5b Translationsbewegungen
des jeweiligen Teilungsträgers 4a, 4b entlang
der Bewegungs- und Messrichtung R entgegenwirkt, jedoch insbesondere
eine Schwenkbewegung des jeweiligen Teilungsträgers 4a, 4b senkrecht
zu der Bewegungs- und Messrichtung R zulässt.In summary, so in the arrangement of 5 two graduation carriers 4a . 4b arranged in the form of two scales along the direction of movement and measurement R one behind the other and thereby each articulated in such a way that the respectively associated first joint 5a . 5b Translational movements of the respective graduation carrier 4a . 4b counteracts along the movement and measuring direction R, but in particular a pivoting movement of the respective graduation carrier 4a . 4b perpendicular to the movement and measurement direction R permits.
Zusätzlich
sind die beiden Teilungsträger 4a, 4b an
einer von dem jeweiligen ersten Gelenk 5a, 5b entlang
der Bewegungs- und Messrichtung R beabstandeten Stelle über
ein jeweiliges zweites Gelenk 6a, 6b gelenkig
gelagert, welches Translationsbewegungen des jeweiligen Teilungsträgers 4a, 4b quer zur
Bewegungs- und Messrichtung R entgegenwirkt, um diese zu verhindern.In addition, the two graduation carriers 4a . 4b at one of the respective first joint 5a . 5b along the movement and measuring direction R spaced location on a respective second joint 6a . 6b articulated, which translational movements of the respective graduation carrier 4a . 4b transversely to the direction of movement and measurement R counteracts to prevent them.
Bei
einer solchen Anordnung ist dafür Sorge zu tragen, dass
der Übergangsbereich zwischen den beiden Teilungsträgern 4a, 4b eine
fortdauernde Positionsmessung nicht behindert. D. h., es muss sichergestellt
werden, dass eine Positionsmessung auch dann möglich ist,
wenn eine den Teilungsträgern 4a, 4b zugeordnete
Abtasteinheit 3 bei einem Abtastvorgang den Übergangsbereich
zwischen den beiden Teilungsträgern 4a, 4b abtastet.In such an arrangement, care must be taken to ensure that the transitional area between the two graduation carriers 4a . 4b a continuous position measurement is not hindered. That is, it must be ensured that a position measurement is possible even if one of the graduation carriers 4a . 4b associated scanning unit 3 in a scanning process, the transition region between the two graduation carriers 4a . 4b scans.
Sofern
es nicht möglich sein sollte, im Übergangsbereich
eine Teilungsstruktur mit hinreichender Genauigkeit vorzusehen,
können den Teilungsträgern 4a, 4b zwei
Abtasteinheiten 3 zugeordnet werden, die entlang der Bewegungs-
und Messrichtung R hintereinander angeordnet sind. Sofern bei einer Positionsbestimmung
die eine Abtasteinheit bei einem Abtastvorgang auf den Übergangsbereich
zwischen den beiden Teilungsträgern 4a, 4b zugreift, können
dann die Ausgangssignale der anderen der beiden Abtasteinheiten 3 für
eine Positionsbestimmung herangezogen werden.If it should not be possible to provide a dividing structure with sufficient accuracy in the transitional area, the division carriers can 4a . 4b two scanning units 3 are assigned, which are arranged one behind the other along the movement and measurement direction R. If, in a position determination, the one scanning unit in a scanning on the transition region between the two graduation carriers 4a . 4b then accesses the outputs of the other of the two scanning units 3 be used for a position determination.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 19511068
A1 [0016] DE 19511068 A1 [0016]
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- DE 19923505 A1 [0016] - DE 19923505 A1 [0016]
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- DE 10144659 A1 [0016] - DE 10144659 A1 [0016]
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- DE 102007035345 A1 [0016] - DE 102007035345 A1 [0016]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Fachbuch Digitale
Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für
den Maschinenbau und die Elektroindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech:
1998; 3. Aufl.) [0004] - Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Position measuring systems for mechanical engineering and the electrical industry by Alfons Ernst (Landsberg / Lech: 1998; 3rd ed.) [0004]
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- Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik:
Positionsmesssysteme für den Maschinenbau und die Elektroindustrie
von Alfons Ernst (Landsberg/Lech: 1998; 3. Aufl.) [0048] - Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Position measuring systems for mechanical engineering and the electrical industry by Alfons Ernst (Landsberg / Lech: 1998; 3rd ed.) [0048]