Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führungstoleranz¬ ausgleich an Mehrachsenpositionierern, wobei auf einem ersten Führungsträger bezüglich einer ersten Achse ein zweiter Füh¬ rungsträger durch einen zugehörigen Positionierantrieb ver- schieblich oder verschwenkbar gelagert ist und an dem zweiten Führungsträger bezüglich einer zweiten Achse ein weiterer Führungsträger oder ein Objekt durch einen zugehörigen Posi¬ tionierantrieb verschieblich oder verschwenkbar gelagert ist und die jeweilige Verschiebung auf den Führungsträgern durch eine jeweils zugehörige Koordinatenmeßvorrichtung laufend ermittelt wird.

Bekanntlich ist in Mehrachsenpositioniersystemen, z.B. X-/Y-Tischen, Portalen, Meßmaschinen, Positioniereinrichtun- gen, in denen hochgenaues Anfahren einer Position gefordert wird, die erreichbare Genauigkeit der Positionierung abhängig von den Toleranzen der Achsführungen. Toleranzen treten sowohl in vertikaler als auch in der horizontalen Richtung der Füh¬ rungen, d.h. jeweils quer zu der Positionierrichtung, auf. Extreme Genauigkeitsanforderungen an Führungen, wie sie bei¬ spielsweise bei Meßmaschinen gestellt werden, erhöhen den Systempreis erheblich, und solche Führungen sind beispiels¬ weise aufgrund zu geringer Tragzahlen für den Einsatz in Be¬ arbeitungsmaschinen ungeeignet.

Wird ein Objekt, z.B. ein Meßstift oder Werkzeug, in zwei Achsen in Bezug auf eine ruhende Basis positioniert, so wird die objektseitige Positioniervorrichtung, z.B. ein sogenannter Kreuzsupport, von der basisseitigen Positioniereinrichtung getragen und verfahren. Letztere arbeitet in ihrer Positio¬ nierrichtung, also auf den Kreuzsupport zu, so genau wie ihr direkter oder indirekter, d. h. spindelbezogener, Maßstab und die zugehörige Meßvorrichtung ausgebildet ist. In der zweiten

Richtung arbeitet die objektseitige Positioniervorrichtung ebenso in Bezug auf das verfahrbare Objekt so genau wie der zugehörige Maßstab ist und das Meßsystem damit zusammenarbei¬ tet. Die Position des Objektes weist in den beiden Richtungen bezogen auf eine feste Basis jedoch gegenüber den Angaben der beiden Meßsysteme die Abweichung auf, die jeweils quer zu den Positionierrichtungen in den zugehörigen Führungen liegen. Das gleiche Problem tritt bei einer Dreiachsenpositionierung je¬ weils doppelt auf, da der jeweilige Positionsmeßwert die Lage zwischen dem Objekt und der Basis je mit in zwei verschiedenen Führungen liegenden Führungsabweichungen behaftet angibt.

Eine solche Mehrachsenpositioniervorrichtung ist aus der DE 43 12 255 AI bekannt geworden. In dieser Druckschrift wird ein x-, y-Koordinatentisch beschrieben, bei dem auf einer y- Basisplatte unter Zwischenschaltung von Aktuatoren eine y- Führungsplatte angeordnet ist, auf der sich eine in y-Richtung bewegbare x-Basisplatte befindet. Die Bewegung der x-Basis- platte wird durch ein Mutter-Spindel-Getriebe realisiert, wobei zusätzlich noch eine y-Führungsstange mit einem zugehö¬ rigen y-Führungslager vorgesehen ist. Auf der x-Basisplatte befindet sich weiterhin eine x-Führungsplatte, auf der über ein weiteres Mutter-Spindel-Getriebe ein Tischelement in x- Richtung verschieblich gelagert iεt. Da die Gewindespindel und die Führungsstangen nicht auf einen exakten Rundlauf gearbei¬ tet sein können, führt jede Verstellung des Koordinatentisches in x- oder y-Richtung zu einer geringfügigen Lageänderung in z-Richtung. Die Korrektur dieser Lageänderungen erfolgt mit Hilfe von Meßvorrichtungen, die die Aktuatoren betätigen, so daß diese eine entgegengesetzte Lageänderung zur Kompensation der z-Lageänderungen ausführen können. Ein derartiger Koordi¬ natentisch ist damit technisch nur sehr aufwendig zu realisie¬ ren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln eine ba¬ sisbezogene wesentlich genauere Mehrachsenpositionierung eines Objektes auch bei statischer oder lastbedingter Verformung der Führung zu erbringen.

Die Lösung besteht darin, daß auf den Führungsträgern jeweils mindestens ein Meßstrahler mit enger Apertur parallel zur Führung ausgerichtet angeordnet ist und an dem jeweils geführ¬ ten Teil von den einzelnen Meßstrahlen beaufschlagt jeweils eine Abweichungsmeßvorrichtung so angeordnet ist, daß deren Abweichungsmeßsignal jeweils mindestens eine Lageabweichung quer zur Richtung des auftreffenden Meßstrahls signalisiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen ange- geben.

Für die Messung der jeweiligen Führungsabweichungen werden vorzugsweise eng gebündelte Strahlen, z.B. Laserstrahlen, einmal von der Basis an dem Führungsträger zum Kreuzsupport hin und zum zweiten von letzterem zum Objekttisch hinaus ge¬ sendet und jeweils da bzw. dort mit, die Toleranzbereiche der jeweiligen Führungen meßtechnisch erfassenden, Empfängern aufgenommen, deren abgegebenen Meßwerte jeweils die Querabwei¬ chung der Lage des geführten Teiles in mindestens einer der jeweils anderen Achsrichtungen angeben.

Die basisbezogene Objektlage ergibt sich für die einzelnen Achsrichtungen somit jeweils als eine Summe aus dem Positions¬ meßwert in der betreffenden Achse und der oder den Lageabwei- chungsmeßwerten, die in der gleichen Richtung liegen und von der (den) weiteren Positionsvorrichtung(en) gemessen werden.

Bei einem Meßsystem, bei dem eine Positionierung auf ein ba¬ sisgelagertes Meßobjekt beispielsweise mit einem Meßfühler erfolgt, lassen sich die genannten Summen unmittelbar als genaue, basisbezogene Koordinatenmeßwerte verwenden.

Für eine basisbezogene Positionierung eines Objektes mit Posi¬ tionsreglern werden die jeweiligen Summen, die die entspre- chende Koordinatenrichtung betreffen, als Ist-Koordinatenwerte den zugehörigen Positionsreglern zugeführt.

Die Abweichungen der Lage des positionierbaren Objektes lassen

sich für Achsen entlang denen das zu positionierende Teil geführt wird, als auch für Dreh- oder Schwenkachsen messen und zur Ergänzung der gleichgerichteten Positionsmeßwerte verwen¬ den. Bei der Messung der Lageabweichungen von rotatorisch zu positionierenden Teilen, wird der Meßstrahl bevorzugt koaxial zur Drehachse, z.B. durch eine Hohlachse geschickt und auf eine zweidimensional arbeitende Versatzmeßvorrichtung am dreh¬ bar gelagerten Teil gerichtet. Prinzipiell ist die Zuordnung des Lichtsenders, z.B. des Lasers, und des Meßempfängers zu den beiden zueinander positionierbaren Teilen beliebig, jedoch wirken sich in der Führung auftretende Verschwenkungen des geführten Teiles wesentlich geringer auf die Genauigkeit der Messungen der Abweichung auf, wenn der Empfänger auf dem ge¬ führten Teil angeordnet ist.

Besonders einfach ist eine Anordnung mit einem Strahl und mit einem zweidimensional arbeitenden Empfänger, z.B. einem zwei¬ dimensionalen CCD-Array. Aus den damit gewonnenen Bilddaten des Strahles läßt sich der Strahlmittelpunkt ermitteln und dessen Koordinaten als die beiden Maße der Abweichungen gewin¬ nen. Die Koordinaten werden zweckmäßig bezüglich solcher An¬ fangskoordinaten gemessen, die in einer zur Eichung dienenden Positioniergrundstellung aufgenommen werden. Selbstverständ¬ lich lassen sich auch reine Relativpositionsmessungen und Relativpositionierungen vornehmen ohne daß vorher eine Eichung auf eine bestimmte Ausgangsposition vorgenommen wird.

Statt eines zweidimensionalen Meßarrays lassen sich auch li¬ neare Arrays von lichtempfindlichen Zellen verwenden, wobei durch optische Mittel und/oder geeignete Auswertung dafür gesorgt werden muß, daß jeweils Abweichungen in nur einer Richtung sich auf die Messung in dieser Abweichungsrichtung auswirken und die Abweichung in der anderen Richtung nicht dazu führt, daß der Strahl den Einzugsbereich des linearen Arrays verläßt.

Im allgemeinen ist davon auszugehen, daß die Länge eines übli¬ chen CCD-Arrays mit z.B. 256 oder 512 Positionen größer ist

als die Längenausdehnung des zu erfassenden Abweichungsbe¬ reichs . Aus diesem Grund wird in dieser Richtung eine Sprei¬ zung des Strahlverlaufs zu den Endpositionen hin so vorgenom¬ men, daß etwa eine Übereinstimmung der beiden Längen vorliegt. Hierzu kann eine zylindrische Streuoptik oder auch eine Sam¬ meloptik, wenn das Array hinter dem Brennpunkt angeordnet wird, benutzt werden.

Die einfachste Art, eine Anpassung des Abweichungsbereiches an die Länge des linearen Arrays vorzunehmen, ist es, das Array unter einem Winkel geneigt anzuordnen.

Weiterhin kann dann, wenn senkrecht, d.h. quer, zu dem Array ein größerer Abweichungsbereich als die Arraybreite gegeben ist, eine Sammlung der Strahlengänge in diesem Bereich fokos- sierend auf das Array vorgenommen werden, indem eine in dieser Richtung entsprechend zylindrische Sammellinse oder ein zylin¬ drischer Hohlspiegel in den Strahlengang gesetzt wird. Im allgemeinen wird man also jeweils ein sammelndes und ein streuendes optisches Element kreuzen, so daß im ganzen Array- bereich stets eine weitgehende Ausnutzung des Strahls auf¬ tritt. Die Arrayausgangssignale werden jeweils durch eine Schwerpunktsermittlung bezüglich des jeweils auftreffenden Strahlanteils, also auf dessen Mittenlage, ausgewertet.

Bei der Anwendung des Verfahrens ist es zur Erreichung brauch¬ barer Abweichungsmeßwerte eine Vorraussetzung, daß der Strahl stets eine definierte Lage im Raum hat. Dies bedeutet, daß die Strahlenquelle vorteilhaft so an der Führung oder so zu dieser angeordnet sein muß, daß der Meßstrahl stets parallel zu die¬ ser ist. Wird die Strahlenquelle jedoch besonders einfach am Ende der Führung oder des Führungsträgers befestigt und unter¬ liegen letztere bei veränderter Belastung einer merklich wech¬ selnden Durchbiegung, so tritt demgemäß gewöhnlich auch eine unterschiedliche Neigung der Trägerenden und damit der dort montierten Strahlungsquelle auf. Eine dadurch auftretende Strahlneigung zur Führungsbahn führt zu einer Veränderung der Abweichungsmessung abhängig vom Abstand der Strahlenquelle zum

Sensorarray. Diese Veränderung läßt sich vorteilhaft bestimmen und korrigieren, indem ein Teil des Strahles oder ein paralleler Strahl über die vorzugsweise ganze Länge der Füh¬ rungsbahn auf ein Neigungsmeßarray gerichtet wird. Mit dessen Neigungsmeßsignal wird im Verhältnis des Verfahrweges zur Länge des Neigungsmeßstrahles ein Neigungskorrekturwert ge¬ bildet, der zu dem Lageabweichungsmeßwert summiert werden muß, um die Position des positionierten Teiles auch bei lastabhän¬ giger Strahlneigungsänderung auf eine Ursprungsbasis zu bezie- hen.

Gewöhnlich werden solche Neigungsänderungen in der Lastrich¬ tung, also insbesondere in der Vertikalen, auftreten, und deshalb ist i.a. dort der Neigungssensor zusätzlich vorzuse- hen. Es kann ein Strahl durch einen Strahlteiler gesplittet teilweise zu dem Abweichungssensor und teilweise zu dem Nei¬ gungssensor weitergeführt werden. Der Sensor besteht zur Nei¬ gungsmessung vorzugsweise aus einem Lineararray mit einer Strahlspreizung durch geeignete Neigung des Sensors. Da i.a. bei einer Belastung eine Neigungsänderung nur in einer Rich¬ tung, der Z-Richtung, auftritt, ist eine Fokussierung des Meßstrahles in der Querrichtung dazu nicht erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Figuren 1 bis 3 dar- gestellt.

Fig.l zeigt einen Abschnitt einer Zweiachsenpositionier- vorrichtung;

Fig. 2 zeigt eine Sensoranordnung vergrößert;

Fig. 3 zeigt eine Neigungsmeßvorrichtung schematisch.

Figur 1 zeigt eine Zweiachsen-Positioniervorrichtung in einer X-Y-Ebene mit pro Positioniervorrichtung zwei Abweichungsme߬ vorrichtungen AMX, AMZ1; AMY, AMZ2 mit je einer Laserstrahl¬ lichtquelle Sl - S4 und mit pro Positioniervorrichtung einer Achspositionsmeßvorrichtung APX, APY, die aus einem Meßlineal

LX, LY und einem zugehörigen Koordinatensensor bestehen. Die beiden Koordinatenantriebe bestehen aus Motoren MX, MY, die von einer Positionssteuervorrichtung ST angesteuert werden. Dieser Positioniervorrichtung werden Soll-Positionswerte Xsoll,Ysoll zugeführt, die für eine geregelte Positionsan¬ steuerung mit den Ist-Positionswerten Xist, Yist laufend ver¬ glichen werden, so daß jeweils die Differenzen der Soll- und Ist-Werte als Regeler-Ansteuergröße der Motoren MX, MY dienen.

Das Ist-Positionssignal der X-Positionierung Xist ergibt εich aus der Summe des X-Koordinatenmeßwertes SPX und dem in X-Richtung liegenden Abweichungsmeßsignal SMX; entsprechendes gilt für das Ist-Positionssignal Yist in der Y-Richtung. Die entsprechenden Referenzzeichen enthalten den Buchstaben Y.

Die beiden Abweichungswerte SMZ1, SMZ2 in der Z-Richtung wer¬ den ebenfalls summiert und als Z-Koordinatenabweichung DZ weiterverwertet. Je nach Anwendung können diese entfallen. Ist auch eine Z-Positionierungsvorrichtung vorhanden, εo wird diese mit weiteren X- bzw. Y-Koordinatenabweichungs-Meßvor- richtungen versehen, und auch deren Meßwerte den gleichge¬ richteten Summen hinzusummiert.

Die verschiedenen Abweichungs-Meßvorrichtungen AMX, AMZ1; AMY, AMZ2 sind als lineare CCD-Arrays ausgebildet und über einen Multiplexer MPX an die Steuervorrichtung ST angeschlosεen, so daß die Signalfolgen aus den Arrays nacheinander ausgelesen und ausgewertet werden und dann der Summenbildung zugeführt werden. Die dargestellten Schaltelemente sind vorzugsweise in der mit einem Mikroprozessor ausgerüsteten Steuervorrichtung ST durch ein Programm realisiert.

Die beiden linearen Sensorarrays jedes Achspositionierers können auch jeweils durch ein zweidimensionales Array ersetzt werden. Es ist dann dafür jeweils nur ein einziger Meßstrahler Sl, S3 erforderlich.

Die gezeigten Meßstrahler Sl, S2; S3, S4 sind jeweils kopfsei¬ tig an den Führungen FX, FY montiert und die Abweichungs-Me߬ vorrichtung AMX, AMZ1; AMY, AMZ2 jeweils an den darauf gela¬ gerten Schlitten, dem Kreuzschlitten K bzw. dem Objektschlit- ten 0 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine erste Sensoranordnung mit einem Meßstrahler Sl, dessen Laserstrahl parallel zur X-Achse und zur Führung FX auf die Abweichungs-Meßvorrichtung AMY fällt, die an dem Kreuzschlitten K montiert ist. Zur Anpassung des maximalen Toleranzbereiches T der zu messenden Abweichung an die Länge L des linearen Sensorarrays LSA ist eine Strahlstreuung über einen zylindrischen Wölbspiegel WS vorgesehen.

Dem konvexen Zylinder kann um 90° gedreht eine konkave Wölbung überlagert sein, so daß bei Lageabweichungen senkrecht zur Bildebene der Meßstrahl stets auf das lineare Array LSA fällt und nicht seitlich darüber hinauswandert. Im vorliegenden Beispiel ist stattdessen dem Sensorarray LSA eine Zylinderlin- se ZL vorgeordnet, deren Zylinderachse parallel zum Array LSA liegt und deren Brennlinie darauf liegt.

Figur 3 zeigt eine Anordnung eines langen Führungsträgers FX mit einem Kreuzschlitten K. Endseitig des Trägers FX ist der Meßstrahler Sl montiert und auf dem Schlitten K der Abwei¬ chungssensor AMZ1, der insbesondere die Lastdurchbiequng des Trägers FX ermittelt. Da bei der Lastdurchbiequng die Enden des Trägers F sich gegen eine unbelastete Ausgangslage neigen, neigt sich in gleichem Maße auch der Strahlverlauf Sl', wo- durch der Abweichungssensor AMZ1 die Abweichung bezüglich des geneigten Meßstrahles Sl und nicht zum Ausgangsstrahlenverlauf mißt. Deshalb ist vorteilhaft ein Parallelstrahl Sl" zum ande¬ rem Ende des Trägers FX auf einen Neigungssensor NZ geführt. Dessen Neigungsmeßwert SNZ wird proportional zur Länge LS ' der ersten Meßstrecke des ersten Meßstrahles Sl', die als das X-Wegmeßsignal SPX bekannt ist, und umgekehrt proportional zur Länge LS" des zweiten Meßstrahles Sl" dem Z-Koordinaten-Sum- mierer zugeführt, ebenso wie die Z-Abweichungswerte SMZ1, SMZ2

und ggf. ein Z-Koordinatenmeßwert SPZ, so daß als Summier¬ ergebnis ein Z-Istwert Ziεt bereitεteht und in der Steuervor¬ richtung ST mit einem Z-Koordinatensollwert Zsoll verknüpft der geregelten Ansteuerung eines Z-Positionierungsmotors die- nen kann.

Das gleiche Prinzip der Neigungskorrektur der Abweichungs¬ messung kann selbstverständlich auch bei zu erwartenden Schrägstellungen oder Neigungen der anderen Führungen ange- wandt werden.