DE19746532A1

DE19746532A1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE19746532A1
Application number: DE19746532A
Authority: DE
Inventors: Karl Fiedler; Hans-Juergen Meier
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1999-04-29

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden zur inkrementalen oder absoluten Posi tionsbestimmung bei Bearbeitungsmaschinen sowie bei Koordinatenmeß maschinen eingesetzt.

Bei lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtungen wird ein Maßstab berüh rungslos mittels einer Lichtquelle und Photodetektoren abgetastet. Die dabei erzeugten elektrischen Signale sind relativ klein und daher störempfindlich.

In der DE 25 05 587 C3 ist eine Längenmeßeinrichtung beschrieben, von der unsere Erfindung ausgeht. In einem Gehäuse ist ein Glasmaßstab unter Zwischenschaltung einer hochelastischen Klebeschicht befestigt. Die Ab tasteinheit stützt sich über Gleitschuhe direkt am Glasmaßstab ab, wodurch der Maßstab eine Führung der Abtasteinheit darstellt.

Als Nachteil dieser Positionsmeßeinrichtung hat sich herausgestellt, daß sich auf der Oberfläche des Glasmaßstabes eine elektrische Ladung ansammelt, die so groß werden kann, daß über die Abtasteinheit eine sprunghafte Ent ladung erfolgt. Diese sprunghafte Entladung verursacht einen elektrischen Impuls, der als Störimpuls wirkt und insbesondere bei inkrementalen Meß systemen von der Auswerteeinheit als Zählimpuls oder als Referenzmar kenimpuls interpretiert wird.

In der US-PS 5,030,825 ist eine Winkelmeßeinrichtung beschrieben, bei der zur Abtastung eines Maßstabes mehrere Photodetektoren vorgesehen sind. Zwischen dem Maßstab und den Photodetektoren ist eine Abtastplatte an geordnet. Diese. Abtastplatte ist aus einem elektrisch leitenden Material ge fertigt und am Bezugspotential (Erde) angeschlossen; sie soll dadurch eine Abschirmung der Photodetektoren gegen elektromagnetische Störfelder be wirken.

Diese Maßnahme hat den Nachteil, daß die Abtastplatte nicht aus transpa rentem Material hergestellt werden kann. Weiterhin können vom Maßstab ausgehende Störsignale durch diese Maßnahme nicht verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer lichtelektrischen Positi onsmeßeinrichtung die Störsicherheit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin dung angegeben.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die positionsabhängigen Abtast signale von statischen Aufladungen des Maßstabes weitgehend unbeeinflußt bleiben.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßein richtung mit einem ersten Maßstab im Teilschnitt,

Fig. 2 eine Draufsicht des ersten Maßstabes,

Fig. 3 eine Draufsicht eines zweiten Maßstabes,

Fig. 4 eine Draufsicht eines dritten Maßstabes,

Fig. 5 eine Draufsicht eines vierten Maßstabes,

Fig. 6 die Längenmeßeinrichtung mit einem Abschluß block und einem Verbindungselement,

Fig. 7 ein Detail eines Abschlußblockes,

Fig. 8 ein weiteres Detail eines Abschlußblockes

Fig. 9 ein Verbindungselement in einer ersten Lage und

Fig. 10 ein Verbindungselement in einer zweiten Lage.

Die Fig. 1 zeigt eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung bestehend aus den beiden in Meßrichtung X relativ zueinander verschiebba ren Hauptkomponenten Gehäuse 1 und Mitnehmer 2. Das Gehäuse 1 ist an einem ersten Maschinenteil 3 und der Mitnehmer 2 an einem zweiten Ma schinenteil 4 befestigt. Das Gehäuse 1 ist aus Metall, in der Regel aus Alu minium und somit elektrisch leitend. Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Maß stab 5 aus Glas befestigt. Die Befestigung erfolgt an einer Fläche des Ge häuses 1 mittels einer elastischen Klebstoffschicht 6. Diese Klebstoffschicht 6 ist elektrisch isolierend. Durch die elastische Klebstoffschicht 6 kann sich der Maßstab 5 bei Temperaturänderungen unabhängig vom Gehäuse 1 frei ausdehnen. Es werden keine Zwangskräfte auf den Maßstab 5 übertragen. Auf dem transparenten Maßstab 5 ist eine Inkrementalteilung 7 aus lichtun durchlässigen Chrom-Markierungen 8 aufgebracht. Diese Inkrementalteilung 7 wird von einer am Mitnehmer 2 befestigten Abtasteinrichtung 9 abgetastet. Diese umfaßt eine Lichtquelle 10 sowie mehrere Photodetektoren 11. Das Licht der Lichtquelle 10 fällt durch die transparenten Bereiche der Teilung 7 und gelangt auf die Photodetektoren 11, wodurch periodische analoge elek trische Abtastsignale erzeugt werden, die in bekannter Weise einer Auswer teeinheit zur Bildung von zählbaren Rechtecksignalen zugeführt werden. Die Abtasteinrichtung 9 stützt sich über Kugellager 12 auf der die Teilung 7 tra genden Oberfläche des Maßstabes 5 federnd ab.

Durch äußere elektrische Felder sowie durch das Abrollen und Gleiten der Kugellager 12 kann sich die Oberfläche des Maßstabes 5 elektrisch aufla den, wodurch ein Potentialunterschied dieser Oberfläche und anderen elek trisch leitenden Teilen der Längenmeßeinrichtung entsteht, der zu einer im pulsartigen Entladung führen kann. Diese Entladungen werden den elektri schen Abtastsignalen überlagert, was bei inkrementalen Meßsystemen zu Zählimpulsen und somit zu Zählfehlern oder zu anderen, die Auswerteeinheit störenden Signalen führt.

Um diese elektrischen Aufladungen von der Oberfläche des Maßstabes 5 über die gesamte Länge des Maßstabes 5 abzuführen, ist bei diesem ersten Ausführungsbeispiel eine über die gesamte Meßlänge reichende Schicht 13 aus Chrom auf der Maßstab-Oberfläche aufgebracht, welche die Markierun gen 8 der inkrementalen Teilung 7 elektrisch miteinander verbindet. Diese elektrisch leitende Schicht 13 ist an einem Maßstabende über ein Verbin dungselement 14 mit einem Bezugspotential 15 (Erde, Masse) elektrisch leitend verbunden. In nicht dargestellter Weise kann die Schicht 13 auch an mehreren Stellen, insbesondere an beiden Maßstabenden mit dem Bezugspotential 15 verbunden sein.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des Maßstabes 5 der Längenmeßeinrichtung gemäß Fig. 1. Die Markierungen 8 sowie die verbindende Schicht 13 wurde in einem gemeinsamen Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche aufge bracht. Bei diesem, sowie bei den nachfolgend beschriebenen Beispielen werden die Markierungen 8 im Durchlichtverfahren abgetastet. Wenn die Markierungen 8 reflektierend ausgebildet sind, ist auch eine Auflicht-Abta stung möglich. Desweiteren kann die verbindende Schicht 13 auch ein auf gewalzter oder anderweitig mit der Maßstaboberfläche innig in Kontakt ge brachter Metallstreifen sein. Ist diese Schicht 13 oder der Streifen hart ge nug, können auch die Kugellager 12 darauf abrollen.

Die elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungselement 14 und dem Bezugspotential 15 ist in den Fig. 1 bis 5 nur schematisch dargestellt.

Bei allen Fig. 1 bis 10 werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszei chen versehen.

Gemäß Fig. 3 sind in der über die gesamte Meßlänge reichenden Schicht 13 die Referenzmarken 16 als transparente Fenster eingebracht. Mit einem einzigen Lithographie- und Beschichtungsprozeß lassen sich somit die Mar kierungen 8, die Referenzmarken 16 sowie die verbindende elektrisch lei tende Schicht 13 herstellen.

Die Schicht 13 gemäß Fig. 4 ist großflächig über die gesamte Oberfläche des Maßstabes 5 aufgebracht und leitet somit die elektrische Ladung beson ders gut zu dem Bezugspotential 15 ab.

Bei dem Beispiel nach Fig. 5 sind in der Schicht 13 zwei Spuren 17 frei gelassen, auf denen die Kugellager 12 abrollen können. Um die elektrische Ladung auch von den Spuren 17 ableiten zu können, sind die Spuren 17 möglichst schmal.

In nicht gezeigter Weise kann anstelle einer Metallschicht 13 auch eine elektrisch leitende transparente Schicht auf den Maßstab 5 aufgebracht wer den. Dies hat den Vorteil, daß diese Schicht die Markierungen 8 optisch nicht stört und somit großflächig auch unter oder über die Markierungen 8 aufgebracht - insbesondere aufgedampft - werden kann.

In den Fig. 6 bis 10 ist im Detail dargestellt, wie das Verbindungsele ment 14 ausgestaltet werden kann. Die beiden Enden des Gehäuses 1 wer den jeweils über einen Abschlußblock 20 abgedichtet. Die Abschlußblöcke 20 - von denen nur einer dargestellt ist - dienen der Montage des Gehäuses 1 an dem ersten Maschinenteil 3. Hierzu weist der Abschlußblock 20 eine Bohrung 23 auf, durch die er mittels einer Schraube an einer Fläche des Maschinenteils 3 fixiert wird.

Die Befestigung des Abschlußblockes 20 am Gehäuse 1 kann in bekannter Weise durch Schrauben erfolgen, oder wie in Fig. 6 dargestellt ist, durch Formschluß. Hierzu ist im Gehäuse 1 zumindest eine Aussparung 18 einge bracht, in die ein Vorsprung 21 des Abschlußblockes 20 formschlüssig ein greift. Wichtig ist, daß der Formschluß in Meßrichtung X spielfrei wirksam ist und den Abschlußblock 20 relativ zum Gehäuse 1 fixiert.

Erfindungsgemäß ist zumindest an einem der Abschlußblöcke 20 das Ver bindungselement 14 angeordnet, das einen elektrischen Kontakt zwischen der Schicht 13 und dem Abschlußblock 20 herstellt. Da der Abschlußblock 20 im Betrieb am ersten Maschinenteil 3 elektrisch leitend befestigt ist, und das erste Maschinenteil 3 wiederum in der Regel an ein Bezugspotential (Erde, Masse) 15 angeschlossen ist, stellt das Verbindungselement 14 die elektrische Verbindung der Schicht 13 mit dem Bezugspotential 15 her.

Gemäß Fig. 6 ist das Verbindungselement 14 ein Blechteil, das am Ab schlußblock 20 befestigt ist. Das Blechteil kann am Abschlußblock 20 über Schrauben 24 angeschraubt werden, es ist aber auch ein Nieten, Klemmen, Löten oder Kleben möglich. Das Blechteil 14 besitzt zumindest eine federnde Zunge 22, mit der es sich im montierten Zustand an der Schicht 13 federnd abstützt. Der elektrische Kontakt der federnden Zunge 22 mit der Schicht 13 wird zwangsläufig bei der Montage des Abschlußblockes 20 an das Gehäuse 1 erzeugt. Der Abschlußblock 20 wird dabei an das Ende des Gehäuses 1 herangeführt und durch eine Relativbewegung senkrecht zur Meßrichtung X wird der Vorsprung 21 in die Aussparung 18 eingehakt. Während dieser Einhakbewegung wird die Zunge 22 in Richtung der Maßstaboberfläche bewegt, wo sie sich am Ende auf der Schicht 13 abstützt und einen elektrischen Kontakt herstellt.

In den Fig. 7 bis 10 ist im Detail dargestellt, wie ein Blechteil 14 beson ders vorteilhaft ausgestaltet werden kann, um es für den rechten oder den linken Abschlußblock 20 verwenden zu können. Das Blechteil 14 weist zwei Zungen 22.1 und 22.2 auf, von denen jeweils eine in einer Bohrung 25.1, 25.2 des Abschlußblockes 20 eingepreßt ist und die andere die Schicht 13 kontaktiert. Durch einfaches Drehen des Blechteiles 14 (Pfeil in Fig. 10) wird ausgewählt, welche der Zungen 22.1 oder 22.2 der Schicht 13 zugeord net ist.

Die anhand der Fig. 6 bis 10 beschriebenen Ausführungsbeispiele kön nen bei den Maßstäben 5 gemäß den Fig. 1 bis 5 angewandt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen inkrementalen Meßsysteme beschränkt, sondern auch bei absoluten Positionsmeßsystemen einsetzbar.

Claims

1. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (5), wel cher innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses (1) angeordnet ist und Markierungen (8) aufweist, welche von einer in Meßrichtung (X) relativ zum Gehäuse bewegbaren Abtasteinrichtung (9) lichtelektrisch abtast bar ist, und die stirnseitigen Enden des Gehäuses (1) jeweils durch ei nen Abschlußblock (20) abgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest einem Abschlußblock (20) ein elektrisch leitendes Verbindungselement (14) angeordnet ist, das einen elektrischen Kontakt zwischen dem Maßstab (5) und dem Abschlußblock (20) herstellt.

2. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) mittels zumindest eines Ab schlußblockes (20) an einem Maschinenteil (3) befestigt ist, daß weiter hin der Abschlußblock (20) aus elektrisch leitendem Material besteht und über das Maschinenteil (3) mit einem Bezugspotential (15) verbun den ist.

3. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (14) ein federndes Teil ist, das am Abschlußblock (20) befestigt ist und das sich mit einer federnden Zunge (22) an einer elektrisch leitenden Oberfläche (13) des Maßstabes (5) abstützt.

4. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) mittels elektrisch isolierender Mittel (6) am Gehäuse (1) befestigt ist, und/oder der Maßstab (5) aus elektrisch nicht leitendem Material besteht.

5. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) aus Glas oder Glaskeramik be steht, der über eine elektrisch isolierende Schicht (6) am Gehäuse (1) befestigt ist.

6. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) aus elektrisch nicht leitendem Material besteht, dessen Oberfläche über die gesamte Meßlänge mit einem leitenden Mittel (13) in Kontakt steht, mit dem wiederum das Verbindungselement (14) elektrisch leitend verbunden ist.

7. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrisch abtastbaren Markierungen eine Folge von in Meßrichtung (X) voneinander beabstandet angeordneten elektrisch leitenden Bereichen (8) sind, und daß diese Bereiche (8) über den gesamten Meßbereich über das elektrisch leitende Mittel (13) mit einander elektrisch leitend verbunden sind.

8. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, daß das leitende Mittel eine auf die Oberfläche des Maßstabes (5) aufgebrachte elektrisch leitende Schicht (13) ist, welche ununterbrochen über die gesamte Meßlänge reicht.

9. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abtasteinrichtung (9) über Gleit- oder Rollelemente (12) auf einem Oberflächenbereich des Maßstabes (5) ab stützt, und daß die Schicht (13) auf diesem Oberflächenbereich oder auf einem nahe daneben liegenden Oberflächenbereich des Maßstabes (5) aufgebracht ist.