DE10230614B3 - Anordnung von Referenzmarken auf Messrasterplatten und von Referenzmarkensensoren auf einem dazugehörigen optoelektronisch arbeitenden Messkopf - Google Patents

Abstract

Die Anordnung dient der Erfassung von Relativlagen eines Messkopfes zu einer Messrasterplatte bezüglich der X- und Y-Positionen sowie bezüglich der Verdrehung in der Ebene. DOLLAR A Vorgeschlagen wird, dass zu mindestens einer Kante des Messrasters (1) parallel mindestens zwei Referenzmarkenmodule (2) angeordnet sind, die zwei strichförmige erste Referenzmarken (3) aufweisen, dass die ersten Referenzmarken (3) jeweils benachbarter Referenzmarkenmodule voneinander einen Abstand C aufweisen, dass zwischen den ersten Referenzmarken (3) jedes Referenzmarkenmoduls (2) ein Markenpaar aus strichförmigen zweiten Referenzmarken (4) liegt, deren gegenseitiger Abstand TA von Referenzmarkenmodul (2) zu Referenzmarkenmodul (2) zunimmt und von denen die jeweils weiter vom Kantennullpunkt entfernte zweite Referenzmarke (4) einen festen Abstand D zur benachbarten ersten Referenzmarke (3) aufweist, und dass mindestens drei Referenzmarkensensoren (13) am Messkopf (11) so angeordnet sind, dass der um 90 DEG gegenüber den beiden anderen ausgerichtete Referenzmarkensensor (13) in der Nullpunktstellung in Kantenrichtung seitlich versetzt neben den zweiten Referenzmarken (4) liegt, während die anderen Referenzmarkensensoren (13) symmetrisch mittig über den ersten Referenzmarken (3) liegen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Referenzmarken auf Messrasterplatten und von Referenzmarkensensoren auf einem dazugehörigen optoelektronisch arbeitenden Messkopf zur Erfassung von Relativlagen des Messkopfes zur Messrasterplatte bezüglich der X- und Y- Positionen sowie bezüglich der Verdrehung in der Ebene, wobei die Anordnung von Referenzmarkensensoren des Messkopfes die in der Rasterebene angeordnete Referenzmarkenanordnung abtastet.
• Derartige Referenzmarkenanordnungen und dazugehörige Messköpfe sind wesentliche Bestandteile von Mess- und Bearbeitungsmaschinen.
• Beim Programmstart einer Messmaschine dienen solche Marken zur „Nullung" des Systems, d.h. der abtastende Messkopf wird bezüglich eines definiertes Messrasters auf einen Nullpunkt. platziert.
• Die Art der Ausbildung solcher Referenzmarkenstrukturen ist entscheidend hinsichtlich der Zeit, die das Steuerungssystem zur Nullung der Anlage benötigt. Selbst die Einsparung von einigen Sekunden erbringt bei derartig hochkomplexen, teuren Anlagen beträchtliche Kosteneinsparungen.
• Nach der DE 41 32 942 C2 wird durch die längserstreckerde Ausbildung mindestens einer Referenzmarke in der zu ihrer zugehörigen Messrichtung (X-Richtung) senkrechten Messrichtung (Y-Richtung) diese Referenzmarke bei einer Unterbrechung des Messvorganges aus jeder beliebigen momentanen Messposition heraus durch Verfahren der Abtasteinrichtung lediglich in der zugehörigen Messrichtung zur Wiedergewinnung der Bezugsposition abgetastet. Eine Unterbrechung des Messvorganges, bei der der momentane Positionsmesswert verloren geht, kann beispielsweise durch Stromunterbrechung passieren.
• Eine Messanordnung zur Bestimmung der Relativlage zweier Gegenstände ist aus der CH-PS 472 021 bekannt, wobei ein Gegenstand eine Referenzspur mit einer Grob- und einer Feinteilung aufweist Die Anordnung ist jedoch nur für eine ständige Positionsmessung anwendbar.
• Eine ähnliche Anordnung ist aus der DE 33 34 398 C1 bekannt. Zusätzlich zu einem inkrementalen Maßstab sind hier Referenzmarken und zugeordnete Sensorfelder vorgesehen, die jeweils einen Strichcode aufweisen und mit denen die Zählung der inkrementalen Teilung des Maßstabes beim Überfahren einer Referenzmarke kalibriert werden kann. Für jede Referenzmarke muss hierbei ein angepasstes Sensorfeld vorhanden sein.
• Ein weiteres derartiges Längenmesssystem mit zwei zugehörigen, verschieden kodierten Referenzspuren zeigt die DE 40 21 010 A1 .
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine schnellere und dabei eineindeutige Zuordnung eines Messkopfes zu den Referenzmarken herzustellen, die in einem Messrasterlayout vorzugsweise an den X- und Y-Achsen parallel zum eigentlichen Messraster am Rand angeordnet sind.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anordnungen mit den Merkmalen nach Anspruch 1 oder 3 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die Vorteile gegenüber bisher bekannten Lösungen bestehen darin, dass an Stelle einer sich längserstreckenden Marke mehrere Referenzmarkenmodule in festen Abständen parallel zum Messraster angeordnet sind. Diese Referenzmarkenmodule bestehen aus zwei parallel zu einer Kante des Messrasters ausgerichteten strichförmigen Referenzmarken, die vorzugsweise die gleiche Strichlänge aufweisen und mit einem definierten Strichabstand voneinander positioniert sind. Zwischen beiden kollinearen Referenzmarken ist ein weiteres Markenpaar aus zwei dazu senkrechten strichförmigen Referenzmarken angeordnet. Diese zweiten Referenzmarken weisen wachsende Abstände auf, vorzugsweise in Form einer arithmetisch konstant wachsenden Zahlenfolge a₁, a₁ + d, a₁ + 2d, ... a₁ + (n – 1) d, wobei für a₁ = 1; d > 0 und n eine ganze Zahl gewählt werden kann.
• Die beispielsweise rechte Referenzmarke dieses Markenpaares ist mit einem festen Abstand vom Ende der rechten der waagerechten verlaufenden ersten Referenzmarken entfernt. Der X-Abstand von einem Referenzmarkenmodul zum nächsten, das heißt der Abstand zweier kollinearer Referenzmarken benachbarter Referenzmarkenmodule, ist betragsmäßig gleich.
• Zu diesen Referenzmarkenmodulen auf der Messrasterplatte wurden auf einem Messkopf drei baugleiche Sensoren zur Erfassung o.g. Referenzmarkenmodule der Art angeordnet, dass zwei Sensoren zur Detektierung jener parallel zur Kante des Messrasters ausgerichteten Referenzmarken dienen und so ausgerichtet sind, dass die Abtastfelder der Referenzsensoren sich in der Nullpunktstellung symmetrisch mittig über diesen ersten Referenzmarken befinden.
• Der dritte Referenzsensor wurde neben das weitere Markenpaar positioniert.
• Verliert der Messkopf z.B. bei Stromausfall seine Nullpunkteinstellung (Zuordnung zu einem Referenzmarkenmodul), wird er bei einem Neustart automatisch mit gleichen X-Koordinaten, aber positiven Y-Koordinaten zu einem Referenzmarkenmodul positioniert.
• Fährt man nun das Referenzmarkenmodul in Y-Richtung an, werden zuerst die beiden kollinearen Referenzmarken detektiert. Beim kurzen Ausschwenken des Messkopfes, z.B. in die positive X-Richtung, wird das Markenpaar mit den variablen Abständen abgetastet und die Momentanposition des Messkopfes zum Messraster wird vom Messsystem erfasst.
• An Hand dieses Positionsfangregimes kann der Messkopfes im Crashfall mit kürzesten Verfahrwegen und damit in kürzester Zeit die Systemnullposition ermitteln, da lediglich das nächstliegende Referenzmarkenmodul angefahren werden muss.
• Alternativ zu der vorbeschriebenen Lösung kann das Referenzmarkenmodul erfindungsgemäß statt des Referenzmarkenpaares mit zunehmendem Abstand auch Referenzmarken aufweisen, deren Anzahl von Referenzmarkenmodul zu Referenzmarkenmodul zunimmt, wobei die Abstände zwischen den Referenzmarken dann gleich bleiben. Ein zugeordneter Referenzmarkensensor kann die Referenzmarkenmodule so anhand der vorhandenen Anzahl der Referenzmarken im Referenzmarkenmodul unterscheiden.
• Ein Ausführungsbeispiel wird in der 1 näher erläutert, wobei die räumliche Zuordnung einer Messrasterplatte 12 mit entsprechenden Referenzmarkenmodulen 2 zu relevanten Positionen eines Messkopfes 11 dargestellt ist.
• In X-Richtung erstrecken sich die Referenzmarkenmodule 2, jeweils mit einem definierten festen Abstand C. Jedes Referenzmarkenmodul 2 besteht aus parallel zur Kante eines Messrasters 1 ausgerichteten Referenzmarken 3 mit dem festen Abstand B zueinander und dem Abstand A zur Kante des Messrasters 1. Dazwischen befindet sich jeweils ein Markenpaar 4 von weiteren Referenzmarken mit einem für das jeweilige Markenpaar 4 definierten Abstand TA. Der Abstand D von Markenpaar 4 bis zur jeweils rechten der ausgerichteten Referenzmarken 3 ist fest definiert.
• Über dem rechten Referenzmarkenmodul 2 ist die Abtastposition des Messkopfes 11 mit seinen drei Referenzsensoren 13 dargestellt.
• Gezeigt sind eine Startposition 1a des Messkopfes 11 zu Messbeginn und eine Nullpunktposition, z.B. nach einem Stromausfall. Z1 bis z3 sind die wachsenden Abstände TA zwischen den Referenzmarken der Markenpaare 4.

1

Messraster

2

Referenzmarkenmodul

3

erste Referenzmarken

4

zweite Referenzmarken, Markenpaar

11

Messkopf

12

Messrasterplatte

13

Referenzmarkensensor

14

Startposition des Messkopfes

A

Abstand

B

Strichabstand

C

X-Abstand von Referenzmarkenmodul zum nächsten

D

Abstand von Markenpaar 4 zu Marke 3

TA

Abstand

z 1

Abstand zwischen X-Referenzmarkenpaar 1

z 2

Abstand zwischen X-Referenzmarkenpaar 2

z 3.

Abstand zwischen X-Referenzmarkenpaar 3

Claims (5)

1. Anordnung von Referenzmarken auf Messrasterplatten und von Referenzmarkensensoren auf einem dazugehörigen optoelektronisch arbeitenden Messkopf zur Erfassung von Relativlagen des Messkopfes zur Messrasterplatte bezüglich der X- und Y-Positionen sowie bezüglich der Verdrehung in der Ebene, wobei die Anordnung von Referenzmarkensensoren des Messkopfes die in der Rasterebene angeordnete Referenzmarkenanordnung abtastet, dadurch gekennzeichnet, – dass zu mindestens einer Kante des Messrasters (1) parallel mindestens zwei Referenzmarkenmodule (2) angeordnet sind, – dass jedes Referenzmarkenmodul (2) zwei, im Abstand A zur vorgenannten Kante des Messrasters (1) kantenparallel ausgerichtete, in einem Abstand B voneinander beabstandete, strichförmige erste Referenzmarken (3) aufweist – dass die ersten Referenzmarken (3) jeweils benachbarter Referenzmarkenmodule voneinander einen Abstand C aufweisen, – dass zwischen den ersten Referenzmarken (3) jedes Referenzmarkenmoduls (2) ein Markenpaar aus strichförmigen, senkrecht zur vorgenannten Kante angeordneten zweiten Referenzmarken (4) liegt, deren gegenseitiger Abstand TA von Referenzmarkenmodul (2) zu Referenzmarkenmodul (2) zunimmt und von denen die jeweils weiter vom Kantennullpunkt entfernte zweite Referenzmarke (4) einen festen Abstand D zur benachbarten ersten Referenzmarke (3) aufweist, – dass mindestens drei Referenzmarkensensoren (13) am Messkopf (11) so angeordnet sind, dass der dritte, um 90° gegenüber den beiden anderen gedreht ausgerichtete Referenzmarkensensor (13) in der Nullpunktstellung symmetrisch mittig, jedoch in Kantenrichtung seitlich versetzt neben den zweiten Referenzmarken (4) des jeweiligen Referenzmarkenmoduls (2) liegt, während die anderen Referenzmarkensensoren (13) symmetrisch mittig über den ersten Referenzmarken (3) liegen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand TA von Referenzmarkenmodul (2) zu Referenzmarkenmodul (2) jeweils um einen Betrag d > 0 zunimmt.
3. Anordnung von Referenzmarken auf Messrasterplatten und von Referenzmarkensensoren auf einem dazugehörigen optoelektronisch arbeitenden Messkopf zur Erfassung von Relativlagen des Messkopfes zur Messrasterplatte bezüglich der X- und Y-Positionen sowie bezüglich der Verdrehung in der Ebene, wobei die Anordnung von Referenzmarkensensoren des Messkopfes die in der Rasterebene angeordnete Referenzmarkenanordnung abtastet, dadurch gekennzeichnet, – dass zu mindestens einer Kante des Messrasters (1) parallel mindestens zwei Referenzmarkenmodule (2) angeordnet sind, – dass jedes Referenzmarkenmodul (2) zwei, im Abstand A zur vorgenannten Kante des Messrasters (1) kantenparallel ausgerichtete, in einem Abstand B voneinander beabstandete, strichförmige erste Referenzmarken (3) aufweist – dass die ersten Referenzmarken (3) jeweils benachbarter Referenzmarkenmodule voneinander einen Abstand C aufweisen, – dass zwischen den ersten Referenzmarken (3) jedes Referenzmarkenmoduls (2) strichförmige, senkrecht zur vorgenannten Kante angeordnete, gleich beabstandete zweite Referenzmarken (4) liegen, deren Anzahl von Referenzmarkenmodul (2) zu Referenzmarkenmodul (2) jeweils um mindestens eins zunimmt und von denen die jeweils am weitesten vom Kantennullpunkt entfernte zweite Referenzmarke (4) einen festen Abstand D zur benachbarten ersten Referenzmarke (3) aufweist, – dass mindestens drei Referenzmarkensensoren (13) am Messkopf (11) so angeordnet sind, dass der dritte, um 90° gegenüber den beiden anderen gedreht ausgerichtete Referenzmarkensensor (13) in der Nullpunktstellung symmetrisch mittig, jedoch in Kantenrichtung seitlich versetzt neben den zweiten Referenzmarken (4) des jeweiligen Referenzmarkenmoduls (2) liegt, während die anderen Referenzmarkensensoren (13) symmetrisch mittig über den ersten Referenzmarken (3) liegen.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarken (3, 4) die gleiche Länge aufweisen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarkensensoren (13) baugleich aufgebaut sind.