DE10151563A1

DE10151563A1 - Positionsmessgerät

Info

Publication number: DE10151563A1
Application number: DE10151563A
Authority: DE
Inventors: Jan Braasch; Wolfgang Holzapfel; Volker Seyfried; Sebastian Tondorf
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-04-30
Also published as: WO2003036226A1; EP1442269B1; JP2005506543A; US20050018205A1; US7274464B2; JP4377229B2; EP1442269A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein kompakt aufgebautes Positionsmessgerät, mit dem auf einfache Weise die räumliche Lage eines beweglichen Elementes (5) gegenüber einem Grundkörper (1) messbar ist. Das Positionsmessgerät besteht aus einer Längenmesseinrichtung (6) sowie einer Winkelmesseinrichtung (7) zur Messung der Winkel des Elementes (5) um zwei Drehachsen, wobei der Strahlengang zur Winkelmessung zwischen dem beweglichen Element (5) und dem Grundkörper (1) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Positionsmessgerät zur Erfassung der Position eines beweglichen Elementes relativ zu einem Grundkörper.
Aus der DE 195 34 535 C2 und der DE 35 04 464 C1 ist jeweils ein Positionsmessgerät bekannt, bei dem die räumliche Lage eines beweglichen Elementes gegenüber einem Grundkörper über mehrere räumlich zueinander angeordneter Teleskopstäbe aufgrund von Längenmessungen in den Teleskopstäben ermittelt wird. Als Verwendungszweck eines derartigen Positionsmessgerätes ist in der DE 35 04 464 C1 die Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines programmgesteuerten Gerätearmes angeführt.
Nachteilig bei diesen Positionsmessgeräten ist die Anordnung mehrerer Teleskopstäbe, um die räumliche Lage des beweglichen Elementes in drei Freiheitsgraden zu bestimmen. Die Teleskopstäbe müssen in einer vorgegebenen Lage zueinander angeordnet sein, um nach einer vorgegebenen Rechenregel aus dem Zusammenhang der Längen der Teleskopstäbe die räumliche Lage des beweglichen Teils zu bestimmen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Aufbau eines Positionsmessgeräts zur Erfassung der räumlichen Lage eines beweglichen Elementes gegenüber einem Grundkörper zu vereinfachen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1.
Ein Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, dass mit einem einzigen Teleskopbein mit einfachem Aufbau die Bewegung des zu messenden beweglichen Elementes in zumindest drei Freiheitsgraden messbar ist, nämlich in einem translatorischen und zwei rotatorischen.
Vorteilhafte Ausgestaltung des Positionsmessgeräts sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Einzelheiten und weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Positionsmessgerät zur Messung der räumlichen Lage eines bewegten Elementes,
Fig. 2 das Funktionsprinzip der Winkelmesseinrichtung des Positionsmessgeräts nach Fig. 1,
Fig. 3 ein weiteres Positionsmessgerät zur Messung der räumlichen Lage eines bewegten Elementes mit interferometrischer Längenmessung,
Fig. 4 eine Verwendung des Positionsmessgeräts zur Erfassung eines bewegten Elementes in sechs Freiheitsgraden und
Fig. 5 eine Verwendung des Positionsmessgeräts in einer Maschine.
In Fig. 1 ist der Grundaufbau eines Positionsmessgeräts 10 gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es besteht aus einem Grundkörper 1 mit einem Gelenk 2, über das allseitig schwenkbar eine Stütze 3 am Grundkörper 1 gelagert ist. Die Stütze 3 ist teleskopartig ausgebildet und besteht aus zumindest zwei ineinanderschiebbare Rohre 3.1 und 3.2. Das eine Rohr 3.1 ist als Teleskopteil am Gelenk 2 gelagert und das andere Rohr 3.2 ist über ein weiteres Gelenk 4 allseitig schwenkbar an dem zu messenden Element 5 gelagert.
Die Bewegung des Elementes 5 in Längsrichtung der Stütze 3 wird mit einer Längenmesseinrichtung 6 gemessen. Diese besteht aus einem Maßstab 6.1, der an einem der Rohre 3.1 befestigt ist und aus einer Abtasteinheit 6.2, die an dem anderen Rohr 3.2 befestigt ist. Zur redundanten Längenmessung können mehrere derartige Längenmesseinrichtungen eingesetzt werden.
Die seitliche Verlagerung des Elementes 5 relativ zum Grundkörper 1 führt zu einer Schwenkbewegung der Stütze 3 gegenüber dem Grundkörper 1. Diese Schwenkbewegung wird mittels einer Winkelmesseinrichtung 7 gemessen. Sie besteht aus einer Lichtquelle 7.1, einem Detektor 7.2 und einem Gitter 7.3. Die Lichtquelle 7.1 ist im Drehpunkt D4 des Gelenkes 4 am Element 5 fest angeordnet und sendet entlang der Stütze 3 ein divergentes Strahlenbündel L aus (Fig. 2). innerhalb des Lichtstrahlenbündels L befindet sich im Drehpunkt D2 des Gelenkes 2 am Grundkörper 1 der Detektor 7.2. In einem festen Abstand befindet sich vor dem Detektor 7.2 das Gitter 7.3. Durch Beleuchtung des Gitters 7.3 mittels des divergenten Lichtstrahlenbündels L wird ein Intensitätsstreifenmuster M erzeugt, dessen Lage relativ zum Detektor 7.2 ein Maß für die Schwenkbewegung der Stütze 3 und somit der seitlichen Verlagerung des Elementes 5 ist.
Durch die Anordnung der Lichtquelle 7.1 und des Detektors 7.2 direkt an dem Grundkörper 1 bzw. dem zu messenden Element 5 fließen Gelenkfehler der Gelenke 2 und 4 sowie Übertragungsfehler der Stütze 3 nicht in die Winkelmessung ein. Der Strahlengang zur Winkelmessung verläuft zwischen dem beweglichen Element 5 und dem Grundkörper 1. Dabei ist in einem der Drehpunkte D2, D4 die Lichtquelle 7.1 und im anderen Drehpunkt D4, D2 der Schwerpunkt der lichtempfindlichen Elemente des Detektors 7.2 angeordnet. In nicht gezeigter Weise kann auch in einem Drehpunkt D2, D4 die Lichtquelle 7.1 sowie der Detektor 7.2 angeordnet sein und im anderen Drehpunkt D4, D2 ein retroreflektierendes Element. Dabei ist eine Strahltrennung vorteilhaft, so dass das Lichtstrahlenbündel nur in einer Richtung durch das Gitter 7.3 läuft. Der Detektor 7.2 oder die Lichtquelle 7.1 befindet sich dann am durch den Strahlteiler gespiegelten bzw. abgebildeten Ort des Drehpunktes D2 bzw. D4. Das Gitter 7.3 ist entweder der Lichtquelle 7.1 oder dem Detektor 7.2 räumlich fest zugeordnet.
Um die seitliche Verlagerung des Elementes 5 in alle Richtungen quer zur Längsrichtung der Stütze 3 zu messen, also den Schwenkwinkel des Elementes 5 um den Drehpunkt D2, ist das Gitter 7.3 eine zweidimensionale Struktur, beispielsweise ein zweidimensionales Kreuzgitter, so dass bei der Beleuchtung ein zweidimensionales Intensitätsmuster M entsteht, dessen Lage relativ zum Detektor 7.2 ein Maß für den Winkel des Elementes 5 gegenüber dem Grundkörper 1 ist.
Der Detektor 7.2 besteht vorzugsweise aus mehreren lichtempfindlichen Elementen zur Erzeugung mehrerer gegeneinander phasenverschobener elektrischer sinusförmiger Abtastsignale. Der Flächenschwerpunkt der lichtempfindlichen Elemente zur Erzeugung eines Abtastsignals liegt im gezeigten Beispiel jeweils im Drehpunkt D2.
In Fig. 2 ist das an sich aus der WO 01/38828 A1 bekannte Prinzip der Winkelmessung anhand eines eindimensionalen Gitters 7.3 dargestellt. Bezüglich Details des Prinzips wird ausdrücklich auf die Offenbarung der WO 01/38828 A1 verwiesen.
Die Gelenke 2 und 4 sind kardanische Aufhängungen oder magnetisch vorgespannte spielfreie Kugelgelenke, wie sie in der einleitend erwähnten DE 35 04 464 C1 beschrieben sind.
Die Stütze 3 bildet eine Längsführung der Abtasteinheit 6.2 gegenüber dem Maßstab 6 sowie eine Abdeckung für die Winkelmesseinrichtung 7. Sie schützt vor Fremdlicht und vor Umwelteinflüssen.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Positionsmessgeräts 100 dargestellt. Als Längenmesseinrichtung wird hier ein Interferometer 60 eingesetzt. Es besteht beispielsweise aus einem Laser 61, einem Strahlteiler 62 und einer Lichtleitfaser 63 mit Kugelkopf 64 als Lichtquelle. Der Kugelkopf 64 befindet sich im Drehpunkt D4. Das divergierende Lichtstrahlenbündel L gelangt auf einen Strahlteiler 65 zur Erzeugung zweier Lichtanteile L1 und L2. Der eine Lichtanteil L1 dient zur oben beschriebenen Winkelmessung, indem das divergierende Lichtstrahlenbündel L1 winkelabhängig von dem Gitter 7.3 moduliert wird und das Intensitätsmuster M von dem Detektor 7.2 erfasst wird. Der andere Lichtanteil L2 gelangt zu einem Retroreflektor 66, wird dort reflektiert und wieder in die Lichtleitfaser 63 eingekoppelt. Die Auswertung des reflektierten Lichtstrahlenbündels L2 und interferentielle Ermittlung der Längsverschiebung des beweglichen Elementes 5 gegenüber dem Grundkörper 1 entlang der in Fig. 3 nicht dargestellten Stütze 3 erfolgt in an sich bekannter Weise.
Der Mittelpunkt des Retroreflektors 66 befindet sich im Drehpunkt D2 und der Detektor 7.2 im durch den Strahlenteiler 65 erzeugten Bild D2' des Drehpunktes D2. Es ist auch die Umkehrung möglich, indem sich dann der Detektor 7. 2 im Drehpunkt D2 und der Mittelpunkt des Retroreflektors 66 im Bild D2' befindet.
Die oben beschriebenen Positionsmessgeräte 10, 100 werden vorteilhafterweise zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines programmgesteuerten Maschinenteils verwendet, indem das bewegliche Element 5 an dem programmgesteuerten Maschinenteil, beispielsweise einem Gerätearm eines Roboters oder einer Spindel einer Werkzeugmaschine festgelegt ist und der Grundkörper 1 an einem Basisteil der Maschine, also dem Werkstückträger einer Werkzeugmaschine festgelegt ist. Die Spindel 5' einer Werkzeugmaschine sowie der Werkstückträger 1' ist in Fig. 1 schematisch gestrichelt dargestellt.
In Fig. 4 ist die Verwendung oben beschriebener Positionsmessgeräte 10 bzw. 100 zur Erfassung eines bewegten Elementes 5 in sechs Freiheitsgraden dargestellt. Zur Erfassung der räumlichen Lage des Elementes 5 sowie der Orientierung des plattenförmigen Elementes 5 gegenüber dem Grundkörper 1 sind drei teleskopartige Positionsmessgeräte 10 bzw. 100 einerseits gelenkig am Grundkörper 1 und andererseits gelenkig am Element 5 angeordnet.
Sollen nur fünf Freiheitsgrade erfasst werden, reichen zwei Positionsmessgeräte 10 bzw. 100 aus.
In Fig. 5 ist beispielsweise eine weitere Verwendung der Positionsmessgeräte 10 bzw. 100 gezeigt. Bei einer Werkzeugmaschine ist ein Spindelträger 8 über mehrere längenveränderliche Streben 9 in der räumlichen Lage sowie Orientierung einstellbar. Der Spindelträger 8 ist über eine Zentralsäule 11 allseitig schwenkbar und längenveränderlich am Grundkörper 1 angelenkt. Die Neigung der Zentralsäule 11 und somit die Orientierung des Spindelträgers 8 gegenüber dem Drehpunkt D2 sowie die Längsverschiebung des Spindelträgers 8 in Richtung der Längsachse der Zentralsäule 11 ist mittels eines erfindungsgemäßen Positionsmessgerätes 10 bzw. 100 messbar.

Claims

1. Positionsmessgerät, zur Erfassung der räumlichen Lage eines beweglichen Elementes (5) relativ zu einem Grundkörper (1), umfassend:
eine Längenmesseinrichtung (6) zur Messung des Abstandes des beweglichen Elementes (5) gegenüber dem Grundkörper (1);
eine Winkelmesseinrichtung (7) zur Messung des Winkels zwischen dem beweglichen Element (5) und dem Grundkörper (1) mit zumindest einer Lichtquelle (7.1), einem Detektor (7.2) und einem Gitter (7.3) im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (7.1) und dem Detektor (7.2), wobei der Strahlengang (L) zur Winkelmessung zwischen dem beweglichen Element (5) und dem Grundkörper (1) verläuft, indem durch Beleuchtung des Gitters (7.3) mit der Lichtquelle (7.1) ein Intensitätsstreifenmuster (M) erzeugt wird, dessen Lage relativ zum Detektor (7.2) ein Maß für den Winkel ist.

2. Positionsmessgerät nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:
eine längenveränderliche Stütze (3), die das bewegliche Element (5) mit dem Grundkörper (1) verbindet;
ein Gelenk (2), mit dem die Stütze (3) um einen Drehpunkt (D2) im Grundkörper (1) schwenkbar gelagert ist, wobei die Längenmesseinrichtung (6) zur Messung der Längsverschiebung des beweglichen Elementes (5) gegenüber dem Grundkörper (1) entlang der Stütze (3) dient.

3. Positionsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Stütze (3) und dem beweglichen Element (5) ein weiteres Gelenk (4) angeordnet ist, mit dem das bewegliche Element (5) um einen Drehpunkt (D4) an der Stütze (3) schwenkbar gelagert ist.

4. Positionsmessgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehpunkt (D2) die Lichtquelle (7.1) oder der Schwerpunkt der lichtempfindlichen Elemente des Detektors (7.2) angeordnet ist.

5. Positionsmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drehpunkt (D2, D4) die Lichtquelle (7.1) und im anderen Drehpunkt (D4, D2) der Schwerpunkt der lichtempfindlichen Elemente des Detektors (7.2) angeordnet sind.

6. Positionsmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Drehpunkt die Lichtquelle und der Schwerpunkt der lichtempfindlichen Elemente des Detektors angeordnet ist und im anderen Drehpunkt ein retroreflektierendes Element.

7. Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke kardanische Gelenke sind.

8. Positionsmessgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke (2, 4) magnetisch vorgespannte Kugelgelenke sind.

9. Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütze (3) teleskopartig ausgebildet ist und eine Abdeckung für die Winkelmesseinrichtung (7) bildet, und dass an einem Teleskopteil (3.1) ein Maßstab (6.1) und am anderen Teleskopteil (3.2) eine den Maßstab (6.1) abtastende Abtasteinheit (6.2) der Längenmesseinrichtung (6) befestigt ist.

10. Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmesseinrichtung ein Interferometer (60) ist.

11. Positionsmessgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht einer gemeinsamen Lichtquelle (64) zur Winkelmessung und zur Längenmessung in zwei Teilstrahlenbündel (L1, L2) aufgeteilt wird.

12. Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (7.3) ein zweidimensionales Kreuzgitter ist, das ein zweidimensionales Intensitätsmuster (M) erzeugt, dessen Lage relativ zum Detektor (7.2) ein Maß für den Winkel ist.

13. Positionsmessgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zur Überprüfung der Positioniergenauigkeit eines programmgesteuerten Maschinenteils (5') verwendet wird, indem das bewegliche Element (5) an dem programmgesteuerten Maschinenteil (5') festgelegt ist und der Grundkörper (1) an einem Basisteil (1') der Maschine festgelegt ist.