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Die
Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung
für Winkelstellungen
von Drehachsen. Solche Meßvorrichtungen
dienen z.B. dazu, rotierende Achsen einer Werkzeugmaschine zu vermessen
oder zu kalibrieren.
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Um
den immer weiter steigenden Anforderungen an numerisch gesteuerte
Werkzeugmaschinen gerecht zu werden, ist eine Möglichkeit zum Überprüfen und
Kalibrieren der Positioniergenauigkeit in den beweglichen Achsen
einer solchen Werkzeugmaschine unerläßlich. Während lineare Achsen noch relativ
einfach mittels am Maschinenbett der Werkzeugmaschine befestigten
Vergleichsmeßsystemen
zu überprüfen sind,
ist diese Aufgabe für
Winkelachsen deutlich schwieriger zu lösen. Die Drehachse eines mit
dem Maschinenbett verbundenen Winkelmeßsystems muß nämlich zur Drehachse des untersuchten
Freiheitsgrades der Werkzeugmaschine ausgerichtet werden, um Fehler
z.B. durch Exzentrizität
der Achsen zu vermeiden.
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Es
sind bereits Vorrichtungen bekannt, die eine Vermessung von Dreh-
oder Kippwinkeln ohne eine exakte Ausrichtung von Referenzmeßsystemen zu
einer Drehachse erlauben.
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Ein
solches System ist in der
GB
2 180 654 A , von der diese Erfindung ausgeht, beschrieben.
Ein auf einem Teller montierter Neigungssensor sorgt hier dafür, daß der drehbar
auf der Achse eines Referenzmeßsystems
gelagerte Teller jederzeit in eine Referenzlage gedreht werden kann.
In dieser Referenzlage (ein kleiner Winkelbereich, in dem der Neigungssensor
einen genauen Wert der Verkippung gegenüber der Richtung der Schwerkraft
ausgeben kann) läßt sich
aus dem Positionswert des Referenzmeßsystems und dem Kippwinkel
des Neigungssensors ein Kippwinkel der gesamten Anordnung berechnen
und z.B. mit einem Kippwinkel vergleichen, der durch eine bewegliche
Achse einer Werkzeugmaschine eingestellt wurde. Solche Anordnungen
mit Neigungssensoren haben aber den Nachteil, daß sich horizontale Rundtische
nicht kalibrieren lassen. Ein auf einem horizontalen Rundtisch mit
vertikaler Drehachse befestigter Neigungssensor ändert seine Neigung relativ
zur Schwerkraft nicht. Es kann daher keine Referenzlage des Tellers
bestimmt werden.
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Andere
bekannte Meßeinrichtungen
bestehen beispielsweise aus einem Rundtisch, der mittels einer Hirth-Verzahnung
in genau definierten Winkelschritten verstellbar ist. Auf der Oberseite
eines solchen Rundtisches, der mit seiner Unterseite mit einem drehbaren
Teil einer Werkzeugmaschine verbunden wird, wird ein optisches Element
angebracht, dessen Verdrehung um die Achse des Rundtisches relativ
zum Maschinenbett der Werkzeugmaschine mittels eines Laserinterferometers
gemessen werden kann. Aus der Summe der genau definierten Winkelschritte
der Hirth-Verzahnung und der mit dem Laserinterferometer gemessenen
Winkelstellung läßt sich ein
Drehwinkel der Oberseite des Rundtisches relativ zum Maschinenbett
berechnen. Dieser muß mit
dem Drehwinkel übereinstimmen,
der dem beweglichen Teil der Werkzeugmaschine vorgegeben wurde.
Aus der Abweichung der beiden Drehwinkel lassen sich Kalibrierdaten
für die
Werkzeugmaschine gewinnen. Solche Anordnungen, wie sie z.B. in der
US 5341702 beschrieben sind,
erlauben wegen der nötigen
Umsetzung der Hirth-Verzahnung keine schnellen Messungen über größere Winkelbereiche.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Meßvorrichtung für Winkelstellungen
von Drehachsen zu schaffen, die für alle Drehachsrichtungen anwendbar
ist und zudem schnelle Winkelmessungen über große Bereiche zuläßt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte
Ausführungsformen
ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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Es
wird eine Meßvorrichtung
für Winkelstellungen
von Drehachsen beschrieben, mit einem in einem Gehäuse angeordneten
Winkelmeßsystem,
das über
eine Welle mit einem Teller verbunden ist. Der Teller ist dadurch
relativ zum Gehäuse
drehbar gelagert und seine Winkelstellung relativ zum Gehäuse des
Winkelmeßsystems
feststellbar. Der Teller weist eine Teilungsstruktur auf, die mit
wenigstens zwei Abtastköpfen
abtastbar ist.
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Mit
einer solchen Anordnung lassen sich auch große Winkeländerungen der zu vermessenden Drehachse
schnell erfassen und kalibrieren. Tastet man die Teilungsstruktur
des Tellers mit wenigstens zwei starr mit dem Maschinenbett einer
Werkzeugmaschine verbundenen Abtastköpfen ab, ist eine exakte Ausrichtung
der zu vermessenden Drehachse der Werkzeugmaschine nicht notwendig,
da sich Exzentrizitätsfehler
durch die zweifache Abtastung eliminieren lassen. Durch zusätzliche
Abtastköpfe
lassen sich weitere Fehler in der Ausrichtung der beiden Drehachsen
eliminieren.
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Zur
Bestimmung der Referenzlage des Tellers Teilungsstrukturen auf optischer,
magnetischer, induktiver oder kapazitiver Basis abgetastet werden, sind
auch Drehachsen beliebiger Ausrichtung zu vermessen.
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Eine
Beschränkung
auf Verkippungen gegen die Richtung der Schwerkraft wie im Stand
der Technik entfällt.
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Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
anhand der Figuren. Dabei zeigt
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1 eine Werkzeugmaschine
mit einer Meßvorrichtung
für Winkelstellungen,
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2 die Meßvorrichtung der 1 in der Draufsicht, und
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3a,3b verschiedene Teilungsstrukturen.
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1 zeigt eine Werkzeugmaschine 1 mit
einem ortsfesten Maschinenbett 2. Zur Bearbeitung eines
Werkstückes
wird in einer Spindel 3 ein Werkzeug eingespannt, das ein
auf einem Rundtisch 4 befestigtes Werkstück bearbeiten
kann. Der Rundtisch 4 ist dabei mittels eines Antriebssystems
bestehend u.a. aus einem Motor 5 mit Drehgeber 6 um
die Drehachse C drehbar. So können
bei der Bearbeitung des Werkstückes
unterschiedliche Bereiche vom Werkzeug bearbeitet werden.
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Zur
Erzeugung qualitativ hochwertiger Endprodukte ist es nun sehr wesentlich,
daß ein
von einer numerischen Steuerung vorgegebener Verdrehwinkel für den Rundtisch 4 möglichst
exakt eingehalten wird. Zur Überprüfung oder
Kalibrierung dieses Verdrehwinkels dient die hier beschriebene Meßvorrichtung.
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Diese
Meßvorrichtung
besteht aus einem in einem Gehäuse 9 angeordneten
hochgenauen Winkelmeßsystem 8,
das über
eine Welle 10 mit einem Teller 11 verbunden ist.
Dieser Teller 11 ist dadurch gegenüber dem Winkelmeßsystem 8 bzw.
dessen Gehäuse 9 drehbar
gelagert. Die relative Winkelstellung zwischen Gehäuse 9 und
Teller 11 ist dadurch sehr genau erfaßbar.
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Das
Gehäuse 9 ist
so auf dem Rundtisch 4 befestigt, daß die Drehachse des Winkelmeßsystems 8 mit
der Drehachse C des Rundtisches 4 ungefähr zusammenfällt. An
horizontalen Rundtischen 4 mit vertikaler Drehachse C ist
eine Befestigung unter Umständen
gar nicht nötig,
es kann hier bereits genügen,
das Gehäuse 9 lediglich
auf den Rundtisch 4 zu stellen.
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Dreht
man nun den Rundtisch 4, so dreht sich das Gehäuse 9 mit
Winkelmeßsystem 8 und
Teller 11 in gleichem Maße mit.
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Um
den Betrag des Verdrehwinkels unabhängig vom Meßsystem des Rundtisches, also
hier unabhängig
vom Drehgeber 6 messen zu können, wird zunächst eine
Referenzlage des Tellers 11 bezüglich der Drehachse C des Rundtisches 4 erfaßt. Hierzu
weist der Teller 11 wenigstens eine Teilungsstruktur 14 auf.
Diese Teilungsstruktur 14 ist durch zwei um vorzugsweise
180 Grad versetzte Abtastköpfe 13 abtastbar,
die über
einen Halter 12 starr mit dem Maschinenbett 2 verbunden
sind. In der gezeigten, typischen Anordnung gelingt dies in einfacher Weise,
wenn der Halter 12 anstelle eines Werkzeuges in die Spindel 3 der
Werkzeugmaschine 1 eingesetzt wird.
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Die 2 verdeutlicht einen möglichen
Ablauf einer Kontrollmessung. Zunächst wird die Lage des Tellers 11 relativ
zum Maschinenbett 2 bzw. zu den Abtastköpfen 13 als Referenzlage
R festgestellt. Der Rundtisch 4 wird dann um einen Verdrehwinkel α verdreht,
wobei der Winkel α vom
Antriebsystem 5, 6 des Rundtisches 4 eingestellt
wird. Auch der Teller 11 dreht sich um diesen Winkel α mit. Vorzugsweise
mittels eines weiteren, in das Gehäuse 9 integrierten
Antriebs 16 wird nun der Teller 11 in seine Referenzlage R
zurückgedreht.
Dabei muß er
um einen Rückstellwinkel β gedreht
werden, der nun mit dem hochgenauen Winkelmeßsystem 8 festgestellt
wird. Die Referenzlage R wird dabei wiederum mit den Abtastköpfen 13 erkannt.
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Eine
Auswerteeinheit 7, die als separate Einheit ausgeführt oder
als Software in eine Numerische Steuerung integriert sein kann,
hilft bei der Durchführung
der Messung. So löst
die Auswerteeinheit 7 zunächst die Feststellung der Referenzlage
R aus, erledigt dann das Drehen des Rundtisches 4 um den
Verdrehwinkel α,
gefolgt vom Zurückdrehen
des Tellers 11 mittels Antrieb 16, bis von den
Abtastköpfen 13 erneut
die Referenzlage R erkannt wird, und nimmt den vom Winkelmeßsystem 8 gemessenen
Rückstellwinkel β entgegen,
um den der Teller 11 zurück gedreht werden mußte, um
erneut in die Referenzlage R zu kommen. Anschließend vergleicht die Auswerteeinheit 7 die
beiden Winkel α und β. Im Idealfall
wird also der vom Rundtisch geforderte Verdrehwinkel α mit dem
Rückstellwinkel β, der dem
tatsächlich
eingestellten Verdrehwinkel des Rundtisches 4 entspricht, betragsmäßig übereinstimmen.
Jede Abweichung bedeutet einen Fehler in der Positionierung des Rundtisches 4.
Durch die Auswertung mit verschiedenen Ausgangsstellungen des Rundtisches 4 und verschiedenen
Verdrehwinkeln α können von
der Auswerteeinheit 7 Kalibrierdaten erzeugt werden, die später der
Ansteuerung des Rundtisches 4 zugrunde gelegt werden können.
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Die
beschriebene Meßvorrichtung
weist verschiedene Vorteile auf. Neben der bereits erwähnten Möglichkeit,
Exzentrizitätsfehler
und andere durch die nur grobe Ausrichtung der Drehachse C des Rundtisches
und der Drehachse des Winkelmeßsystems 8 verursachte
Fehler durch die mehrfache Abtastung der Teilungsstruktur 14 zu
eliminieren und dadurch den Aufwand zum Anbau der Meßvorrichtung
erheblich zu minimieren, arbeitet die entscheidende Winkelmessung,
nämlich
die Feststellung der Referenzlage R des Tellers 11 zum Maschinenbett 2, berührungslos
und damit kräftefrei.
Eine unmittelbare Befestigung der Welle 10 des Winkelmeßsystems 8 z.B.
an der Spindel 3 würde
zwar den Teller 11 und die Messung der Referenzlage R überflüssig machen,
hätte aber
die Übertragung
einer Kraft zur Folge und würde
damit über
Elastizitäten
oder Spiel Meßfehler
im Winkelmeßsystem 8 verursachen.
Der mit dem Winkelmeßsystem 8 gemessene
Wert würde dann
nicht exakt dem gesuchten wahren Verdrehwinkel des Rundtisches 4 relativ
zum Maschinenbett 2 entsprechen.
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Für die Ausbildung
der Teilungsstruktur 14 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
Solche Teilungsstrukturen sind ausführlich im Buch "Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik", Verlag moderne
industrie, Landsberg 1989, auf den Seiten 27–33 beschrieben. Wesentlich
ist, daß eine
Referenzlage R des Tellers 11 mit den Abtastköpfen 13 möglichst
exakt reproduzierbar ist.
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Eine
besonders einfache Ausführung
für eine
Teilungsstruktur 14 ist in 3a dargestellt.
Am äußeren Umfang
des Tellers 11 sind um 180 Grad gegeneinander versetzt
zwei kurze Stücke
Maßband befestigt,
die jeweils eine von den Abtastköpfen 13 exakt
detektierbare Referenzmarke 15 tragen. Beim Erkennen einer
Referenzmarke 15 durch einen Abtastkopf 13 wird
der aktuelle Wert des Winkelmeßsystems 8 in
der Auswerteeinheit 7 erfaßt und verarbeitet.
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Eine
bessere Auswertung und Handhabung erlaubt eine Teilungsstruktur 14 nach 3b. Hier ist auf einem den
Teller 11 vollständig
umschließenden Maßband eine
inkrementale Teilungsstruktur 14 aus regelmäßig angeordneten
Strichen angebracht, die von den Abtastköpfen 13 detektiert
und gezählt
werden können.
Die Stellung des Tellers 11 zu Beginn der Messung wird
als Referenzlage R definiert. Ein Aufsuchen von Referenzmarken 15 nach 3a ist nicht unbedingt notwendig.
Um bei einem Verlust des Positionssignals der Abtastköpfe 13,
etwa verursacht durch eine Stoßstelle
der umlaufenden Teilungsstruktur 14, Probleme zu vermeiden,
können
zusätzliche,
vorteilhafterweise abstandscodierte Referenzmarken 15 vorgesehen
werden. Solche zusätzlichen Referenzmarken
ermöglichen
eine Feststellung der absoluten Position innerhalb der Teilungsstruktur 14.
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Auch
eine absolute Kodierung der Teilungsstruktur in Form mehrspuriger
Inkrementalteilungen oder einer Pseudo-Random-Code Spur ist möglich. Es
erübrigt
sich dann ein Zählen
von Inkrementen, es genügt
das Feststellen der Ausgangspositionen beider Abtastköpfe 13 auf
der Teilungsstruktur 14 als Referenzlage R.
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Die
Teilungsstruktur 14 nach 3b eignet sich
auch zum geregelten Zurückdrehen
des Tellers 11 um den Rückstellwinkel β. Der Antrieb 16 kann hier
anhand von Positionsinformationen der Teilungsstruktur 14 geregelt
werden. Dies erlaubt ein schnelleres Anfahren der Referenzlage R.
Mit einer solchen Teilungsstruktur 14 nach 3b ist es auch möglich, die Gegenbewegung des
Tellers 11 mittels Antrieb 16 gleichzeitig mit
der Verdrehung des Rundtisches 4 vorzunehmen, so daß der Teller 11 seine
Referenzlage R im Rahmen der Regelgenauigkeit nicht verläßt. Trotzdem
kann natürlich über das
Winkelmeßsystem 8 der
Rückstellwinkel β und damit
der tatsächliche Verdrehwinkel
des Rundtisches 4 erfaßt
werden.
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Mit
geeigneten Befestigungsmitteln läßt sich die
beschriebene Meßvorrichtungen
für Winkelachsen
aller Art einsetzen, bei denen die Einhaltung eines vorgegebenen
Verdrehwinkels α eines
Elementes einer Winkelachse gegenüber einer ortsfesten Basis
wie einem Maschinenbett 2 überprüft bzw. kalibriert werden soll.
In diesem Sinne ist der Begriff "Rundtisch" als ein Synonym
für das
verdrehbare Element zu verstehen, der Begriff "Maschinenbett" als Synonym für die ortsfeste Basis.