Optisch-elektrische Feinpositioniereinrichtung Die Erfindung betrifft eine optisch-elektrische Feinpositioniereinrichtung, insbesondere für Mess- und Bearbeitungsmaschinen, bei der ein Teil der ge- geneinander zu positionierenden Teile einen mit einer genauen Millimeterstrichteilung versehenen beleuch teten Massstab,
und das andere einen optisch-elektri- schen Tastkopf trägt und zwischen beiden eine inner halb einer Teilung relativ zum Tastkopf verschieb bare Linse .angeordnet ist, durch deren Verschiebung Bruchteile dieser Teilung einstellbar sind, so dass bei Deckung eines Teilstriches .des Massstabes mit der Strichmarke im Tastkopf die Lage des zu positionie- renden Teiles genau bestimmt ist.
Die optisch-elektrischen Positionierungen sind als absolut sowie ,als inkremental arbeitende Systeme bekannt. Bei den inkrementalen Systemen wird nicht auf Null Bezug genommen, sondern der jeweils einge- fahrene Wert als Bezugspunkt für den nächsten einzu fahrenden Wert zugrunde gelegt.Diese bekannten Einrichtungen arbeiten zählend, d. h.
jeder an einer iMarkierung vorbei bewegte Strich des Massstabes gibt einen Impuls auf ein Zählwerk, welches je nach Bewegungsrichtung vor- bzw. rückwärtszählt. Ein grundsätzlicher Nachteil einer zählenden Einrichtung sind die Fehlzählungen, hervorgerufen durch Erschütterungen und Schwingungen des optischen Ablese;
Systems. Da der Massstab nur die Grobtei lung trägt und damit nur die Grobwerte impulsmässig zählbar sind, ist eine weitere Unterteilung mittels Schiebelinse eines Millimeters in tausend Teile vorge sehen. .Die Schiebelinse wird vorher auf die Bruch teile der Millimeter eingestellt, so dass beim Errei chen des Grobwertes die genaue Position gegeben ist.
Verursacht jedoch die :Schiebelinse bei ihrer Verstel lung den Durchgang eines Massstabstriches, so wird dieser nicht mitgezählt, weil der Zähler bei dieser Bewegung unempfindlich geschaltet ist. Dieser Strichdurchgang wird deshalb gesondert in einem Hilfszähler registriert und nachträglich zur Bildung von Korrekturkriterien herangezogen.
Für die selbst tätige Korrektur dieser Fehler ist :ein erheblicher, ge rätetechnischer Aufwand erforderlich, @da die Mög lichkeiten der Falschzählung von den verschiedenen Verstellrichtungen der Linse sowie des zu positionie renden Teiles und der neuen ,Bewegungsrichtung ab hängen.
.Absolut anzeigende Systeme haben den Vorteil, die Position gegenüber Null in jeder Lage abzulesen. Diese Möglichkeit wird durch die bekannten kodier ten Lineale oder Scheiben geschaffen, die photoelek trisch abgetastet werden. ;Die einzelnen Spuren haben dabei bestimmte Wertigkeiten, die für die bestimmte Lage addiert den Ablesewert ergeben.
Da die Genau igkeit der Positionierung von der Genauigkeit der kodierten Lineale oder Scheiben bestimmt wird, sind für hohe Genauigkeitsanforderungen die Herstellung dieser Massstäbe unwirtschaftlich teuer. Genauigkei- ten von tausendstel Millimeter für Direkt-Ablesungen sind nicht zu :
erreichen, da die Herstellung eines Massstabes mit einer Teilung dieser hohen Genauib keit über die Gesamtlänge technisch nicht durchführ bar ist. .Man hat deshalb schon zwischen kodierter ,Scheibe und zu positionierendem Teil mechanische übersetzungen vorgesehen, um -bei einem verhältnis- mässig grossen photoelektrisch noch einwandfrei er- fassbaren Umfangsweg -der ,kodierten Scheibe eine genau definierte minimale Feinverstellung zu garan tieren.
Bei derartig 'hohen Einstellgenauigkeiten wer den an die Übersetzungsgetriebe ebenfalls sehr 'hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Aber selbst Prä zisionsübertragungselemente ,arbeiten nicht spielfrei, so dass die Lösung des Problems der FeÄnpositionie- rung in dieser Richtung erhebliche Schwierigkeiten bereitet.
Die Erfindung bezweckt, eine Positioniereinrich- tung zu schaffen, bei der Fehlzählungen, hervorgeru fen durch Verstellung des Feinsystems sowie :durch Erschütterungen und Schwingungen, ausgeschaltet werden.
Dabei sollen alle Korrektureinrichtungen und Hilfszähler entfallen und andererseits die Anfor derungen an die Übersetzungsgetriebe in wirtschaft lich vertretbaren Grenzen bleiben, .d. h. eine Positio- niereinrichtung hoher Genauigkeit mit wenig Auf wand an Schalt- und Übertragungselementen zu errei chen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine bekannte, ab solut messende optisch-elektrische Positioniereinrich- tung mit einem ebenfalls bekannten optisch-elektri- schen Tasbkopf so zu kombinieren, dass die Position vom absoluten System grob und vom Testkopf auf den vorher an der Schiebelinse eingestellten Feinwert genau eingefahren wird. Dabei ist der Verstellweg der Schiebelinse zu begrenzen.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass zum Massstab zusätzlich ein kodierter Massstab vor gesehen ist, die beide im Gesichtsfeld einer auf Bruchteile eines Millimeters einstellbaren Schiebe linse angeordnet sind, deren Verschiebung kleiner ist als eine Teilung des Massstabes, so dass durch den kodierten Massstab, der mit mehreren lichtelektri schen Wandlern für die Grobzustellung in Wirkver bindung steht, und den mit einem Testkopf zur Fein einstellung in Verbindung stehenden Massstab, eine absolute Grob- und Feineinstellung durchführbar ist.
:Der Verschiebeantrieb der Schiebelinse kann über eine Lagerückmeldeeinrichtung, die als. photo elektrisch abgetastete kodierte Scheibe ausgebildet ist, mit einer Antriebsverriegelung in Verbindung stehen, so dass bei n@Längeneinheiten, die einer Teilung des Grohrnassstabes :entsprechen, die Verschiebebewe gung auf (n-1) Längeneinheiten begrenzt ist.
Vorteilhaft sind der kodierte Massstab und der Massstab auf einem gemeinsamen Glaskörper ange ordnet, wobei die Grobskala in -der Mitte und zu bei den .Seiten die Kodierspuren liegen. Die Kodierung kann im Binär-System vorgenommen werden und aus in mehreren Reihen liegenden Hell-Dunkel-Feldern bestehen, wobei die jeweils jedem Teilstrich zugeord- neten. Felder der 2 -Spur der Länge eines Teilstrich- abstandes entsprechen und symmetrisch zum zuge hörigen Teilstrich des Massstabes angebracht sind.
Die den einzelnen kodierten .Spuren zugeordneten lichtelektrischen Wandler 'können auf einer gewölb ten Aufnahme, deren Krümmungsmittelpunkt im Brennpunkt des ankommenden ;Strahlenbündels liegt, befestigt sein.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Einrichtung, Fig.2 eine vorzugsweise Ausbildung der Mass- stäbe, Fig. 3 eine Einrichtung zur Kompensation ver schiedener Wärmeausdehnungs'koeffizienten.
An einem Maschinentisch 1 (Fig. 1) ist ,parallel zu seiner Bewegungsrichtung ein Glaskörper 2 befestigt, der eine Genauigkeitsstrichteilung 3 und parallel zu dieser einen binär kodierten Massstab 4 trägt. Die Genauigkeitsstrichteilung 3 ist dabei mittig (Fig.2), und zu beiden ,Seiten sind die einzelnen Spuren des Binärkodes 4 aufgebracht.
Der Kode besteht aus rechteckigen Hell@Dunkel-4Feldem, die in der 2 Spur einer Länge eins Teilstrichabstandes des Genauig- keitsmassstabes entsprechen und symmetrisch zum zugehörigen Teilstrich liegen. Am Maschinenständer gegenüber dem @GlaAörper 2 sind eine parallel zur Bewegungsrichtung des Maschinentisches 1 ver schiebbare Schiebelinse 5 .und ein !Testkopf 6 fest angebracht.
Die Schiebelinse 5 steht über nicht dar gestellte Elemente (Präzisions,gewindespindel und Mutter) mit .einem Antrieb 7 in Verbindung, .der über eine Lagerückmeldeeinrichtung 8 mit einer Antriebs- ,verriegeleinrichtung verbunden ist. Die Massstäbe 3, 4 auf dem Glaskörper 2 sind von einer Lichtquelle 9 über ein am Maschinenständer gegenüber der Schie belinse 5 befestigtes Umkehrprisma 10 indirekt be leuchtet. Ebenso könnte eine direkte Beleuchtung der Massstäbe 3, 4 vorgesehen werden. In diesem Falle sind die Massstäbe 3, 4 in einen reflektierenden Kör per eingearbeitet.
Zwischen der :Schiebelinse 5 und dem Testkopf 6 befinden sich noch Umkehrprismen 11, 1,2, 13 und rverschiedene nicht dargestellte Zwi schenlinsen zur Übertragung des Lichtes auf den Testkopf 6. Das Gehäuse des Testkopfes 6 trägt auf der Seite der ankommenden Lichtstrahlen eine ge wölbte ,Aufnahme 14, deren Krümmungsmittelpunkt im Brennpunkt des ankommenden Strahlenbündels liegt. Die Aufnahme 14 ist mit Photodioden 15 bestückt, :die über das Linsensystem mit den einzel- nen; -Spuren des binär kodierten Massstabes 4 in Ver bindung stehen. Mittig ist die gewölbte Aufnahme 14 kreisförmig durchbrochen.
Hinter dem Durchbruch im Gehäuse liegt,der eigentliche Testkopf 6, der jede Strichmarke erfasst, die durch -eine an seiner Licht eintrittsseite angebrachte Strichgabel 16 hindurch läuft. Die Photodioden 15 sind über Verstärker-Ein- richtungen 17 an ein .Koinzidenz Netzwerk 18 ange schlossen, das bei Koinzidenz des eingestellten Grob- Soll-Wertes mit dem gemessenen Grob-Ist-Wert den Testkopf 6 in Arbeitsbereitschaft bringt.
Nachstehend sei das genaue Einfahren eines Wertes beschrieben. Die Bruchteile zier Millimeter sowie die vollen Millimeter werden getrennt in elek trische Speicher eingegeben. Der g speicherte Soll- Feinwert wird mit dem durch :die Lagerückmeldeein- richtung 8 des Schiebelins.enantriebes 7 angezeigten Ist-Feinwert verglichen und die Schiebelinse 5 so lange von ihrem Antrieb 7 verstellt, bis Koinzidenz herrscht.
Das Spiel in den Übertragungselementen des Schiebelinsenantriebes 7 geht ,dabei nur zu einem vernachlässigbaren Bruchteil in die Messung ein, denn die optische Übersetzung erfordert im Verhält- nis zum Einstellwert einen vielfach grösseren Ver- stellweg der Schiebelinse 5.
Die Lagerückmeldecin- richtung 8 begrenzt die Verstellung der Schiebelinse 5 bei einem in tausend Längeneinheiten unterteilten Millimeter auf 9,99 Längeneiniheiten durch eine elek trische Verriegelungseinrichtung, so dass darüber'hin- aus nach beiden Richtungen keine Verstellung mehr möglich ist. Bei dieser Voreinstellung werden die am Maschinentisch 1 befestigten Massstäbe 3, 4 durch das Linsensystem relativ zum Maschinenständer und dem daran befestigten Tastkopf 6 verschoben.
Nach Beendigung dieses Vorganges wird der Maschinen tisch 1 in Bewegung gesetzt und soweit verstellt, bis zwischen gespeichertem Grobwert und abgelesenem Istwert der photoelektrisch abgetasteten Kodierung 4 Koinzidenz eintritt. Die Abtastung erfolgt dabei mit den Photodioden 1.5, :die den -entsprechend bewerte ten, beleuchteten Spuren des kodierten Massstabes 4 zugeordnet sind und über das Linsensystem ein viel fach vergrössertes Bild der Felder des kodierten Massstabes 4 erfassen.
Bei Koinzidenz der Grobwerte wird gleichzeitig ein Signal gegeben, das den photo elektrischen Tastkopf 6 einschaltet und dann den mit Vorschubgeschwindigkeit bewegten Maschinentisch 1 auf Schleichgang umschaltet. Das Licht vom Genau- igkeitsmassstab 3 gelangt damit über das Linsensy stem und die Durchbruchöffnung der 'Aufnahme 14 an den eigentlichen Tastkopf 6.
Durch das vergrös- serte Abbild des Genauigkeitsmassstabes 3 reagiert der Tastkopf 6 entsprechend empfindlich, um auf Verstellgrössen gleich oder kleiner 1 ,um anzuspre chen.
Beim ersten in der Strichmarke des Tastkopfes 6 erscheinenden Teilstrich - des Genauigkeitsmass stabes 3 wird der Maschinentischantrieb 7 so unter brochen, dass der Maschinentisch 1 seine genaue Po sition einnimmt.
Die gewölbte Aufnahme 14 garantiert für alle an ihr befestigten Photodioden 15 einen gleichmässigen senkrechten Lichteinfall. Damit ist ein absolut mes sendes System geschaffen mit der sehr hohen Ge nauigkeit von 1 ,um und. darüber. An die Herstellung der Massstäbe werden keine grösseren Genauigkeits anforderungen gestellt als bisher; im Gegenteil, der ab solute ,Binärmassstab kann um zwei Zehnerpotenzen ungenauer sein als der Strichmassstab, da dieser nur die Grobwerte liest.
Der Absolutmassstab für die Schiebelinsenverstellung in Form der Binärscheibe verlangt ebenfalls keine überspitzten Genauigkeitsan forderungen, weil durch optische Übersetzungen für eine Voreinstellung der Bruchteile der Millimeter ein vielfach grösserer Verstellweg der Schiebelinse .und damit des Binärmassstabes notwendig ist. Die über- tragungs-elemente zwischen Binärscheibe und Schie belinse erfordern keine besonders<I>hohe</I> Genauigkeit, da das Spiel in den Getriebegliedern nur mit einem Bruchteil Einfluss nimmt.
Das Spiel in den Tischan- triebselementen dagegen ist ohne jeden Einfluss auf die Positioniergenauigkeit. Die Vorteile des Absolut- systems,bei dem keine Fehlzählungen durch Erschüt terungen, Schwingungen oder Verstellen der Schiebe- linse eintreten können, sind sämtlich beibehalten. Das getrennte Einfahren der gespeicherten Fein- und.
Grobwerte bringt zusätzlich die Möglichkeit, sämtli che Bauelemente zur Steuerung des Verstellantriebes .doppelt auszunutzen, d. h. es sind .für idieseSteuerung annähernd die Hälfte der Bauelemente erforderlich, die für gleichzeitiges Einfahren des Gesamtwertes benötigt würden.
Ausserdem kann das bisher benö tigte Rechenwerk, welches den Maschinentisch in einen bestimmten Abstand vom einzufahrenden Wert von der Vorschubgeschwindigkeit auf Schleichgang umschaltet, entfallen, da durch den Kode eine genau definierte Lage zur einzufahrenden Position, nämlich eine halbe Grobteilung, gegeben ist, die zur Einlei tung der Umschaltung auf Schleichgang ausgenutzt werden kann. Die vorliegende Positioniereinrichtung arbeitet demnach bei geringeren Herstellungskosten mit ,grösserer Genauigkeit.
Verwendet man diese Steuerung an einer Bearbei= tungsmaschine, so werden in den seltensten Fällen Materialien bearbeitet, deren Wärmeausdehnungs- koeffizienten gleich dem des Glasmassstabes 2 ist.
Bei Temperaturschwankungen um die Maschine herum entstehen infolge der verschiedenen Wärme ausdehnungskoeffizienten Positionierungsfehler. Diese werden dadurch vermieden, dass ein Prisma oder ein Spiegel 19 in optischem System temperatur abhängig geschwenkt wird. Dazu wird in einem Zylinder 20 eines iv-erschiebbaren Gleitstückes 21 ein Medium 22 mit grossem Wärmeausdehnungskoeffi- zienten, z. B.
Quecksilber, vorgesehen, welches über einen Kolben ,iJ3 ein Hebelgestänge .24 beaufschlagt. Dieses schwendet den im Strahlengang liegenden Spie gel 19. Durch Veränderung der Angriffspunkte des Kolbens 23 am Hebelgestänge 24 ist diese Einrich tung .auf .die jeweiligen Wärmeausdzhnungskoeffizien- ten der Werkstücke einstellbar.