DE3542514A1

DE3542514A1 - Wegmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3542514A1
Application number: DE19853542514
Authority: DE
Inventors: Karl-Eugen Dipl Ing Aubele; Helmut Dipl Ing Lenhof; Peter Dipl Ing Vogt
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1985-12-02
Filing date: 1985-12-02
Publication date: 1987-06-04
Also published as: JPS62133306A; CH672679A5; US4758720A; DE3542514C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wegmeßeinrichtung für bewegliche Maschinenteile mit einem inkrementalen Korrekturmeßsystem für die Ermittlung von Führungsfehlern wie Versatz und Verkippung des Maschinenteils, sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Nullposition und der Anfangswerte der Führungsfehler.

Eine Wegmeßeinrichtung des genannten Typs ist in der EP-A2-00 82 441 beschrieben. Die bekannte Wegmeßeinrichtung besitzt einen Maßstab, auf dem neben der Maßstabsteilung für die Messung der Bewegung in Führungsrichtung mindestens eine zusätzliche inkrementale Teilung in Form mehrerer, sich über die gesamte Führungslänge erstreckender Linien aufgebracht ist. Diese Linien werden durch zwei in Führungsrichtung versetzt angeordnete photoelektrische Signalgeber oder Leseköpfe abgetastet, wobei der Mittelwert der Signale beider Geber zur Feststellung von Versatz senkrecht zur Führungsrichtung und die Differenz der Signale zur Feststellung des Kippwinkels des geführten Teils dienen.

Da es sich bei dieser Meßeinrichtung um ein inkremental arbeitendes System handelt, ist es nötig, zumindest bei jeder Inbetriebnahme der Meßeinrichtung besser jedoch auch während des Betriebs in regelmäßigen Abständen Referenzpunkte anzufahren, anhand derer die Initialisierung des Meßsystems auf absolute Werte erfolgt. Für inkrementale Längenmeßsysteme ist es z. B. aus der DE-C1-33 34 400 bekannt Referenzmarken in Form von mehreren, zu den Strichen der Maßstabsteilung parallelen Balken auf den Maßstab neben der eigentlichen Teilung aufzubringen. Diese Referenzmarken ermöglichen allerdings nur die Festlegung eines Referenzpunktes wie z. B. des Nullpunktes der Meßeinrichtung in Führungsrichtung. Zur Bestimmung der Anfangswerte von Versatz senkrecht zur Führungsrichtung bzw. der Verkippung oder Schieflage des Maschinenteils sind die mit solchen Referenzmarken versehenen bekannten Maßstäbe nicht geeignet. Die Initialisierung des inkrementalen Korrekturmeßsystems erfordert daher zusätzliche Maßnahmen. Besondere Schwierigkeiten bestehen hier, weil es in der Regel nicht ohne weiteres möglich ist, das Maschinenteil in definiertem Ausmaß senkrecht zu seiner Führungsrichtung zu versetzen oder zu verkippen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wegmeßeinrichtung mit inkrementaler Korrekturspur so auszubilden, daß die Initialisierung nicht allein des Meßsystems für die Position in Führungsrichtung sondern auch für das Korrekturmeßsystem möglichst einfach und mit einem Minimum an Zeitaufwand durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Aufbau des Wegmeßsystems gemäß den im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch die im Kennzeichen des Anspruchs 6 genannten Maßnahmen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Wegmeßeinrichtung ist es möglich, sowohl das eigentliche Längenmeßsystem als auch das Korrekturmeßsystem im Zuge einer einzigen Eichfahrt zu initialisieren. Erreicht wird dies durch Abtastung einer Struktur, deren Ausdehnung im Sichtfeld des Signalgebers bzw. Lesekopfes in Führungsrichtung abhängig vom Versatz des geführten Teils ist. Eine solche Struktur kann beispielsweise durch zwei winklig zueinander angeordnete Striche neben der Korrekturspur realisiert werden.

Vorteilhaft ist es, die Struktur aus zwei auf der spiegelnden Fläche des Maßstabskörpers aufgebrachten Zylinderlinsen aufzubauen, von denen eine senkrecht und die andere unter einem Winkel von vorzugsweise 45° zur Führungsrichtung angeordnet ist. Mit diesen Zylinderlinsen läßt sich eine eindimensionale, d. h. linienförmige Abbildung einer z. B. Leuchtdiode auf eine Differenzdiode herbeiführen, über die die Nullimpulse für die Initialisierung von Meß- und Korrektursystem erzeugt werden. Außer den beiden letztgenannten Bauteilen, die zu einem bzw. zwei zweckmäßig am beweglichen Maschinenteil befestigten Geber zusammengefaßt sind, und den auf dem Maßstab aufgebrachten Zylinderlinsen sind keine weiteren Bauteile erforderlich. Zwei Geber sind erforderlich, wenn neben dem Führungsfehlersatz auch Verkippungen, d. h. die Schieflage des geführten Teils ermittelt werden sollen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1-4 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Aufsicht auf den Maßstab eines inkrementalen Wegmeßsystems mit Korrekturteilung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Prinzipskizze, die die Abtastung der Referenzmarke (4/5) auf dem Maßstab nach Fig. 1 schematisch im Querschnitt zeigt;

Fig. 3 ist eine Ansicht auf Referenzmarken und Signalgeber längs der Linie IV/IV in der Prinzipskizze nach Fig. 2;

Fig. 4 zeigt den Signalverlauf am Ausgang der Differenzdiode (7) aus Fig. 2 bzw. 3 beim Überfahren der Zylinderlinsen (4 und 5).

Der in Fig. 1 dargestellte Maßstab (1) einer Wegmeßeinrichtung für ein bewegliches Maschinenteil trägt eine erste inkrementale Teilung (2), die von einem hier nicht näher dargestellten Geber M photoelektrisch abgetastet wird. Die Signale des Gebers M liefern den Maßwert für die Bewegung des Maschinenteils in die mit y bezeichnete Richtung seiner Führungen.

Neben der eigentlichen Maßstabspur (2) befindet sich eine Korrekturspur (3) bestehend aus mehreren parallelen, sich über die gesamte Führungslänge erstreckenden Linien. Diese Linien werden von zwei im Abstand a am beweglichen Maschinenteil befestigten Signalgebern bzw. Leseköpfen K 1 und K 2 in ähnlicher Weise wie die Maßstabsspur (2) photoelektrisch abgetastet. Die Signale der Geber K 1 und k 2 liefern nach Mittelwert- bzw. Differenzbildung Korrekturwerte für einen Versatz des Maschinenteils senkrecht zu seiner Führungsrichtung bzw. erlauben es, die Schieflage des geführten Maschinenteils um die senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufende vertikale Z-Achse zu ermitteln, wie dies in der EP-A2-00 82 441 dargestellt ist.

Es ist klar, daß den Signalgebern M, K 1 und K 2 elektronische Interpolatoren nachgeschaltet sind, durch die eine mehrfache Unterteilung der von den Strichen repräsentierten Inkremente erfolgt, um die Auflösung der Wegmessung zu erhöhen. Bei diesen Einrichtungen handelt es sich um bekannte Bauteile, auf deren Darstellung an dieser Stelle verzichtet wird.

Neben der Korrekturspur (3) ist eine Referenzmarke bestehend aus zwei plankonvexen Zylinderlinsen (4) und 5) auf die spiegelnde Oberfläche des Maßstabs (1 aufgebracht. Die Zylinderlinse (4) ist senkrecht zur Führungsrichtung y ausgerichtet, während die Zylinderlinse (5) mit ihrer Achse um einen Winkel α von 45° gegen die Achse der Zylinderlinse (4) geneigt ist. Zur Abtastung der aus den beiden Zylinderlinsen bstehenden Referenzmarke sind zwei, ebenfalls im Abstand a zueinander am beweglichen Maschinenteil befestigte Nullimpulsgeber KNIP 1 und KNIP 2 vorgesehen. Diese Geber liefern Korrektur-Nullimpulse für die Initialisierung der Korrekturmeßsysteme K 1 und K 2 sowie für das eigentliche Längenmeßsystem M.

Bevor auf den Ablauf der für die Initialisierung nötigen Maßnahmen eingegangen wird, sei der optische Aufbau der Geber KNIP 1 bzw. KNIP 2 kurz anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläutert: Jeder Geber enthält einen Lichtsender in Form einer Leuchtdiode (6) und einen Photosensor in Form einer Differenzdiode (7), die beide nebeneinander angeordnet sind. Ihr Abstand zu der auf den Maßstab (1) aufgebrachten Zylinderlinsen und deren Brechkraft sind so gewählt, daß die punktförmige lichtimittierende Fläche der Leuchtdiode (6) als eindimensionales Lichtband in die Ebene abgebildet wird, in der sich die Oberfläche der Differenzdiode (7) befindet.

Wie Fig. 3 zeigt sind die Differenzdiode (7) und die Leuchtdiode (6) in Bezug auf die Zylinderlinsen (4 und 5) so ausgerichtet, daß ihre Verbindungslinie und die dazu parallele Teilungslinie (9) der Differenzdiode (7) unter einem Winkel α/2 von 22,5°, also symmetrisch zu den Achsen der beiden Zylinderlinsen verläuft. Dies hat den Vorteil, daß die von der Differenzdiode abgegebenen Signale beim Überfahren der beiden Zylinderlinsen jeweils die gleiche Form und Intensität besitzen.

Zur Initialisierung des Meßsystems M und der Korrekturmeßsysteme K 1 und K 2 wird das bewegliche Maschinenteil in Richtung seiner Führung y so verfahren, daß beide Signalgeber KNIP 1 und KNIP 2 die Zylinderlinsen (4 und 5) passieren. Sobald der Geber KNIP 1 die Zylinderlinse (4) überfährt und dabei das in Fig. 3 mit (14) bezeichnete Lichtband über die Differenzdiode (7) streicht, gibt diese das in Fig. 4 mit A _1/2 bzeichnete Signal ab. Dieses Signal kann bereits dazu verwendet werden, das Meßsystem M, das die Maßstabsspur (2) abtastet, zu initialisieren. Dabei wird dem gerade anliegenden Positionssignal, das das Meßsystem M liefert, der Wert y ₀ zugewiesen. Sobald dann die Zylinderlinse (5) überfahren wird und dabei das von ihr erzeugte Lichtband (15) über die Differenzdiode (7) läuft, entsteht ein zweites Signal B _1/2. Die Position y _i, bei der dieses zweite Signal auftritt, ist abhängig von einem Versatz der Meßsysteme KNIP 1 und K 1 bzw. des Maschinenteils, an dem die Meßsysteme befestigt sind, in x-Richtung, d. h. senkrecht zur Führungsrichtung y.

Wie man leicht anhand der in Fig. 3 skizzierten Verhältnisse sieht, besteht der Zusammenhang

Darin bezeichnet
Δ x ₁ den ermittelten Versatz. Mit diesem Wert wird das Korrekturmeßsystem K 1 initialisiert.
y ₀ einen Referenzpunkt des Wegmeßsystems M
x ₀ einen Referenzpunkt für die Korrekturmeßsysteme K 1 bzw. K 2
b den Tangens des Winkels zwischen den Achsen der Zylinderlinsen (4 und 5). Dieser Wert ist eine Maschinenkonstante, die lediglich einmal nach dem Anbringen der Zylinderlinsen bestimmt werden muß.

In gleicher Weise überfährt danach der Null-Impulsgeber KNIP 2 die Zylinderlinsen (4 und 5), wobei wieder zwei Signale der in Fig. 4 dargestellten Form entstehen.

Die Meßsysteme K 1 und in gleicher Weise auch K 2 lassen sich nun initialisieren, indem die zwischen den beiden Signalen A _1/2 und B _1/2 der Korrektur-Nullimpulsgeber KNIP 1 und KNIP 2 auftretenden Inkremente und Interpolationswerte des Wegmeßsystems M gezählt und z. B. von einem elektronischen Rechner unter Verwendung von Gleichung (1) weiterverarbeitet werden. Sind die beiden Meßsysteme K 1 und K 2 initialisiert, ist nicht nur der Versatz des beweglichen Maschinenteils senkrecht zur Führung absolut ermittelt, sondern auch der Winkel γ absolut festgelegt, unter dem das Maschinenteil in der Ebene der Achsen x und y, d. h. also um die vertikale, dritte Achse z verdreht oder verkippt ist. Der Wert D _Z für diesen Führungsfehler ergibt sich durch Differenzbildung unmittelbar aus den bei der Initialisierung ermittelten Werten für den Versatz Δ x ₁ und Δ x ₂ der Meßsysteme K 1 bzw. K 2 und dem in der Zeit zwischen der Initialisierung der beiden Meßsysteme K 1 und K 2 aufgetretenen, vom erstinitialisierten Meßsystem K 1 bereits gemessenen Korrekturwert Δ k _1,2 zu:

Somit sind Versatz, Schräglage und Position eines mit dem beschriebenen Wegmeßsystem ausgerüsteten Maschinenteils im Zuge einer einzigen Eichfahrt in Führungsrichtung bestimmt.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht die Referenzmarke für die Initialisierung aus zwei Zylinderlinsen. Es ist jedoch klar, daß anstelle der Zylinderlinsen auch winklig zueinander angeordnete Strichfiguren als Referenzmarke dienen können, die dann durch ein photoelektrisches System abgetastet werden, wie es die Geber M, K 1 und K 2 enthalten.

Claims

1. Wegmeßeinrichtung für bewegliche Maschinenteile mit einem inkrementalen Korrekturmeßsystem (3, K 1, K 2) für die Ermittlung von Führungsfehlern wie Versatz oder Verkippung des Maschinenteils, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturmeßsystem mindestens eine schräg zur Führungsrichtung (y) verlaufende Struktur (4,5) und einen Signalgeber bzw. Lesekopf (KNIP 1, KNIP 2) für die Abtastung der Struktur enthält.

2. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur als Nullimpulsmarke (4,5) neben den Maßstabsteilungen (2,3) angebracht ist.

3. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullimpulsmarke aus zwei auf eine spiegelnde Fläche aufgebrachten Zylinderlinsen besteht und eine Zylinderlinse (4) mit ihrer Achse senkrecht und die andere Zylinderlinse (5) unter einem Winkel α von vorzugweise 45°C zur Führungsrichtung (y) geneigt angeordnet ist.

4. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Ablesung der Nullimpulsmarken am beweglichen Maschinenteil befestigte Signalgeber (KNIP 1, KNIP 2) eine Leuchtdiode (6) als Sender und eine Differenzphotodiode (7) als Empfänger enthält.

5. Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unter einem Abstand a in Führungsrichtung angeordnete Signalgeber (KNIP 1, KNIP 2) zur Ablesung der Nullimpulsmarke (4,5) vorgesehen sind.

6. Verfahren zur Ermittlung der Nullposition und der Anfangswerte von Führungfehlern wie Versatz oder Verkippungen eines beweglichen Maschinenteils bei einer Wegmeßeinrichtung mit inkrementalem Korrekturmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullposition (y ₀) und die Anfangswerte (Δ x ₁, Δ x ₂) der Führungsfehler während der gleichen Eichfahrt des Maschinenteils ermittelt werden, indem zwei zueinander winklig angeordnete Teilstrukturen (4,5) überfahren werden, deren Abstand (y _i- y ₀) eine Funktion des Versatzes (Δ x ₁) senkrecht zur Führungsrichtung ist.