DE19813375B4

DE19813375B4 - Positionsmeßeinrichtung und Verfahren zur Montage eines Referenzelementes mittels einer Montagehilfe

Info

Publication number: DE19813375B4
Application number: DE1998113375
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. Müller (FH)
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: DE19813375A1

Abstract

Positionsmeßeinrichtung mit
– einem Maßstab (1), welcher eine in Meßrichtung (X) angeordnete magnetische Teilung (2), bestehend aus abwechselnd angeordneten Bereichen unterschiedlicher Magnetisierung aufweist;
– einer Abtasteinrichtung (7) mit einem magnetfeldempfindlichen Sensor (7.1) zur Abtastung der magnetischen Teilung (2) und zur Erzeugung von positionsabhängigen Abtastsignalen (A);
– einem Referenzelement (8), welches eine Bezugsposition entlang des Maßstabes (1) definiert,
gekennzeichnet durch
– eine Montagehilfe (10) mit einem Anzeigeelement (11), auf welches die Magnetisierung der Teilung (2) einwirkt und welches die momentane Position der Montagehilfe (10) relativ zur Teilung (2) sichtbar macht, wodurch die Montagehilfe (10) einer vorgegebenen Position der Teilung (2) zuordbar ist und wobei die Montagehilfe (10) eine Position (14) längs des Maßstabs (1) vorgibt, welcher das Referenzelement (8) zuordbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung mit einem Referenzelement, welches einer magnetischen Teilung zugeordnet ist. Eine derartige Positionsmeßeinrichtung ist aus der EP 0 077 423 A1 bekannt. Sie besteht aus einer magnetischen Teilung, welche in Meßrichtung abwechselnd Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung aufweist. Neben der magnetischen Teilung ist ein Referenzelement zur Erzeugung eines Referenzsignals an einer Bezugsposition angeordnet. Zur exakten Positionierung des Referenzelementes ist im Maßstabträger eine Ausnehmung eingebracht.

Durch das Vorsehen einer Ausnehmung ist kein flexibler Einsatz der Positionsmeßeinrichtung möglich. Die Bezugsposition ist vom Hersteller der Meßeinrichtung unveränderbar vorgegeben.

Die US 4 484 391 A zeigt eine Positionsmesseinrichtung, bei der neben der magnetischen Teilung ein Referenzelement zur Erzeugung eines Referenzsignals an einer Bezugsposition angeordnet ist. Dieses Referenzelement ist ein entlang eines Zylinders verschiebbarer Ringmagnet.

Die Zuordnung des Ringmagneten zu einer vorgegebenen Position der magnetischen Teilung ist problematisch.

Die WO 97/34126 A1 zeigt eine Positionsmesseinrichtung, bei der ein neben der Teilung angeordnetes Referenzelement mit einer Justiervorrichtung zur Einstellung der Lage vorgesehen ist. Ein den Anwender unterstützendes Hilfsmittel zur Justierung ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, die flexibel einsetzbar ist und einfach aufgebaut ist, wobei eine vereinfachte Zuordnung eines Referenzelementes zu einer vorgegebenen Position der Teilung ermöglicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Montagehilfe zur Montage eines Referenzelementes anzugeben, mit der eine exakte Zuordnung des Referenzelementes zu einem gewünschten Bereich entlang der Teilung ermöglicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 8.

Desweiteren soll mit der Erfindung ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine einfache und exakte Zuordnung und Montage eines Referenzelementes entlang der Teilung ermöglicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 14.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß der Anwender der Positionsmeßeinrichtung auf einfache Weise und mit einfachen Mitteln das Referenzelement einem gewünschten Bereich der magnetischen Teilung zuordnen kann. Die möglichen und optimalen Montagepositionen für das Referenzelement müssen nicht vom Hersteller durch besondere Ausgestaltung des Maßstabträgers vorgegeben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der Zeichnungen an drei Beispielen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Draufsicht einer Positionsmeßeinrichtung mit einer Montagehilfe,
2 einen Längsschnitt II-II der Positionsmeßeinrichtung gemäß 1,
3 einen Querschnitt III-III der Positionsmeßeinrichtung gemäß 1,
4 einen weiteren Querschnitt IV-IV der Positionsmeßeinrichtung gemäß 1,
5 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise der Montagehilfe gemäß 1,
6 ein Abtastsignal der Positionsmeßeinrichtung gemäß 1,
7 eine schematische Darstellung einer zweiten Montagehilfe und
8 eine schematische Darstellung einer dritten Montagehilfe.
In den 1 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Positionsmeßeinrichtung besteht in bekannter Weise aus einem Maßstab, welcher von einem Profil 1 und einer geschützt untergebrachten magnetischen Teilung 2 gebildet wird. Die magnetische Teilung 2 ist in 5 vergrößert dargestellt, sie befindet sich auf einem Maßband 3, welches im Profil 1 in bekannter Weise befestigt ist. Zur Abdeckung der Teilung 2 ist ein Abdeckband 4 am Profil 1 vorgesehen. Beide Bänder 3 und 4 sind in Längsnuten des Profils 1 eingeschoben und an den Enden mit den Endstücken 5 durch Schrauben 6 oder Schweißen verbunden. Die Endstücke 5 – in den 1 und 2 ist nur das rechtsseitige Endstück 5 dargestellt – dienen zur starren Befestigung des Maßbandes 3 an einem nicht gezeigten ersten Maschinenkörper.
Zur Abtastung der magnetischen Teilung 2 ist eine Abtasteinrichtung 7 vorgesehen. Sie ist an einem zweiten Maschinenkörper befestigt und relativ zur Teilung 2 in Meßrichtung X verschiebbar. Zur Erzeugung eines oder mehrerer positionsabhängiger Abtastsignale A kann die Abtasteinrichtung 7 ein oder mehrere magnetoresistive Elemente oder Hallelemente enthalten. In 6 ist das analoge Abtastsignal A beispielhaft dargestellt, das bei Verwendung eines Hallelementes 7.1 entsteht. Die analogen Abtastsignale A werden in bekannter Weise einer Auswerteeinheit zugeführt und ein Positionsmeßwert gebildet. Diese inkrementale Messung ist eine relative Messung. Um eine absolute Messung zu erhalten, wird der Teilung 2 ein Referenzelement 8 zugeordnet. Dieses Referenzelement kann ein Magnet 8 sein, der von einem Abtastelement 7.2 der Abtasteinrichtung 7 abgetastet wird. Bei der Abtastung des Magneten 8 wird ein Referenzsignal gebildet, das den Ort des Magneten 8 als Bezugsposition definiert.
Diese Bezugsposition kann in bekannter Weise einen Koordinatennullpunkt definieren, indem ein Zähler auf einen vorgegebenen Wert -insbesondere auf Null- gesetzt wird. Die Bezugsposition kann aber auch zur Definition einer Endlage dienen, wobei das Referenzelement und das es abtastende Abtastelement die Funktion eines Grenzlagenschalters zur Abschaltung von Maschinenantrieben haben können.
Die bisher beschriebene Positionsmeßeinrichtung entspricht im Prinzip dem Stand der Technik, so daß sich hierzu weitere Erläuterungen erübrigen.
Zur exakten Positionsmessung ist es erforderlich, das Referenzelement 8 einem bestimmten Bereich einer Teilungsperiode T der magnetischen Teilung 2 zuzuordnen. Um diese Zuordnung zu erreichen, ist erfindungsgemäß eine Montagehilfe 10 mit einem Anzeigeelement 11 vorgesehen, welches die Magnetisierung der magnetischen Teilung 2 unterscheidbar sichtbar darstellt. Die Montagehilfe 10 besteht aus einem Träger 12, an dem das Anzeigeelement 11 angeordnet ist.
Im ersten Ausführungsbeispiel ist das Anzeigeelement eine an sich bekannte Sensorfolie 11.1, deren Farbe sich in Abhängigkeit der ihr gegenüberliegenden Magnetisierung ändert. Eine derartige Sensorfolie 11.1 ist beispielsweise in der DE 35 05 999 A1 beschrieben. Das Wirkungsprinzip dieser Sensorfolie 11.1 ist in 5 dargestellt. In Bereichen hoher Flußdichte färbt sich die Sensorfolie 11.1 dunkel – was durch die schraffierten Flächenbereiche dargestellt ist – und im übrigen neutralen Bereich bleibt die Farbe unverändert hellgrün. Die Richtung des Magnetfeldes kann durch die Sensorfolie 11.1 nicht unterschieden werden. Bringt man diese Sensorfolie 11.1 in den Einflußbereich des Magnetfeldes der magnetischen Teilung 2 des Maßbandes 3, wird auf der Oberfläche der Sensorfolie 11.1 ein Abbild der Teilung 2 sichtbar.
Dieses Abbild wird erfindungsgemäß zur Positionierung des Magneten 8 eingesetzt. Hierzu weist die Sensorfolie 11.1 oder der Träger 12 eine Ausrichtmarkierung 13 auf, die mit einem vordefinierten Bereich des Abbildes der Teilung 2 in Übereinstimmung zu bringen ist. Im dargestellten Beispiel ist die Ausrichtmarkierung 13 ein Strich auf der Sensorfolie 11.1, der durch Verschieben des Trägers 12 in Meßrichtung X mit einem hellen Bereich des Abbildes in Übereinstimmung zu bringen ist.
Der Träger 12 weist weiterhin zumindest einen in Meßrichtung X wirkenden Anschlag 14 für den Halter 9 des Magneten 8 oder für den Magneten 8 selbst auf. Im gezeigten Beispiel ist der Anschlag 14 eine in Meßrichtung X und senkrecht dazu in Y-Richtung wirkende gabelförmige Aufnahme, welche den Magneten 8 dreiseitig positioniert. Der zumindest in Meßrichtung X wirkende Anschlag 14 definiert die gewünschte Lage des Magneten 8 relativ zu der Ausrichtmarkierung 13 sowie zu der Teilung 2 und somit die gewünschte Lage eines Referenzsignals relativ zur Teilung 2. Bei der Konstellation gemäß 1 wird das Referenzsignal beim Übergang von N zu S oder von S zu N aktiviert.
Der Träger 12 weist zumindest zwei senkrecht zueinander verlaufende Führungsflächen 15, 16 auf, mit denen er an zwei Führungsflächen 17, 18 des Profils 1 in Meßrichtung X geführt werden kann. Die Führungsflächen 15 bis 18 gewährleisten eine parallele Ausrichtung der Sensorfolie 11.1 zum Maßband 3 und verhindern eine Verdrehung der Montagehilfe 10 in der X-Y-Ebene, also in der Ebene, die parallel zur Maßbandoberfläche liegt.
In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Zur besseren Erläuterung wurde nur die magnetische Teilung 2 der Positionsmeßeinrichtung vergrößert dargestellt. Der Aufbau der Montagehilfe 10 entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, daß anstelle der Sensorfolie 11.1 ein drehbarer Magnet 11.2 als Anzeigeelement verwendet wird. Die Ausrichtung des drehbaren Magneten 11.2 ist abhängig von der momentanen Position des Trägers 12 relativ zur Teilung 2 in Meßrichtung X. Im dargestellten Beispiel ist vorgegeben, daß ein Referenzelement 8 dem Zentrum eines Nordpoles der Teilung 2 zugeordnet werden soll. Hierzu ist am Träger 12 die Ausrichtmarkierung 13 aufgebracht, mit der der Nordpol des drehbaren Magneten 11.2 in Übereinstimmung zu bringen ist. In dieser Position der Montagehilfe 10 relativ zur Teilung 2 geben die Anschläge 14 die korrekte Soll-Lage für das Referenzelement 8 vor.
Anstelle des drehbaren Magneten 11.2 kann auch ein drehbares ferromagnetisches Element verwendet werden. Der Nachteil ist, daß nur die Magnetfelddichte und nicht die Richtung detektiert werden kann. Der Vorteil ist, daß die magnetische Teilung 2 durch keinen Dauermagneten 11.2 beeinflußt bzw. sogar zerstört werden kann.
In 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Der Aufbau der Positionsmeßeinrichtung und der Montagehilfe 10 entspricht wiederum weitgehend dem ersten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, daß anstelle der Sensorfolie 11.1 ein im oder am Träger 12 in Meßrichtung X verschiebbar gelagertes ferromagnetisches Element 11.3 als Anzeigeelement verwendet wird. Die Lage des Elementes 11.3 innerhalb des Trägers 12 ist abhängig von der momentanen Position des Trägers 12 relativ zur Teilung 2. Im dargestellten Beispiel ist vorgegeben, daß ein Referenzelement 8 zwischen Nord- und Südpol oder Süd- und Nordpol der Teilung 2 angeordnet werden soll. Hierzu ist am Träger 12 die Ausrichtmarkierung 13 aufgebracht, mit der das Element 11.3 in Übereinstimmung zu bringen ist. Die Anschläge 14 definieren in dieser Position die Soll-Lage für das Referenzelement 8 und ermöglichen eine eindeutige Zuordnung und einfache Befestigung des Referenzelementes 8 am Profil 1, was durch den Pfeil angedeutet ist.
Anstelle des ferromagnetischen Elementes 11.3 kann auch ein verschiebbarer und in Meßrichtung X ausgerichteter und am Träger 12 verschiebbar gelagerter Stabmagnet verwendet werden.
Das Referenzelement 8 kann am Profil 1 oder direkt an einer Fläche des ersten Maschinenkörpers befestigt werden, wozu es beispielsweise mit einer Klebefolie versehen ist.
Das Referenzelement kann anstelle des Magneten 8 auch ein optisch, kapazitiv oder induktiv abtastbares Element sein.
Anstelle des Anschlags 14 kann auch nur eine Markierung am Träger 12 angebracht sein, welche die Zuordnung des Referenzelementes relativ zum Träger 10 in Meßrichtung X eindeutig definiert. Die Markierungen 13 und 14 können auch eine gemeinsame Markierung bilden.
Die Erfindung kann auch bei offenen Meßsystemen erfolgreich eingesetzt werden, da die magnetische Teilung 2 in der Regel auch hier nicht direkt sichtbar ist.
Anstelle eines flexiblen Maßbandes 3 kann auch ein Draht, eine Stange oder ein starrer Körper als Träger der magnetischen Teilung 2 dienen.
Die Erfindung ist bei Längenmeßsystemen und bei Winkelmeßsystemen einsetzbar.

Claims

Positionsmeßeinrichtung mit – einem Maßstab (1), welcher eine in Meßrichtung (X) angeordnete magnetische Teilung (2), bestehend aus abwechselnd angeordneten Bereichen unterschiedlicher Magnetisierung aufweist; – einer Abtasteinrichtung (7) mit einem magnetfeldempfindlichen Sensor (7.1) zur Abtastung der magnetischen Teilung (2) und zur Erzeugung von positionsabhängigen Abtastsignalen (A); – einem Referenzelement (8), welches eine Bezugsposition entlang des Maßstabes (1) definiert, gekennzeichnet durch – eine Montagehilfe (10) mit einem Anzeigeelement (11), auf welches die Magnetisierung der Teilung (2) einwirkt und welches die momentane Position der Montagehilfe (10) relativ zur Teilung (2) sichtbar macht, wodurch die Montagehilfe (10) einer vorgegebenen Position der Teilung (2) zuordbar ist und wobei die Montagehilfe (10) eine Position (14) längs des Maßstabs (1) vorgibt, welcher das Referenzelement (8) zuordbar ist.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (1) Führungsflächen (17, 18) aufweist, mit denen Führungsflächen (15, 16) der Montagehilfe (10) in Kontakt stehen, und die Montagehilfe (10) in Meßrichtung (X) verschiebbar geführt ist.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Montagehilfe (10) vorgegebene Position durch einen in Meßrichtung (X) wirkenden mechanischen Anschlag (14) vorgegeben ist, mit dem das Referenzelement (8) in Kontakt bringbar ist.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzelement ein Magnet (8) ist.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeelement eine Sensorfolie (11.1) ist, welche Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung der Teilung (2) farblich unterscheidbar darstellt.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfolie (11.1) auf einem Träger (12) fixiert ist, daß auf der Sensorfolie (11.1) oder dem Träger (12) eine Ausrichtmarkierung (13) aufgebracht ist, welche mit einem vordefinierten Bereich der sichtbaren Magnetisierung in Übereinstimmung gebracht ist.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeelement ein an einem Träger (12) verschiebbar oder drehbar gelagertes Element (11.2, 11.3) ist, dessen Lage relativ zum Träger (12) von der Lage des Trägers (12) relativ zur Teilung (2) abhängig ist.
Montagehilfe zur Zuordnung eines Referenzelementes (8) zu einer magnetischen Teilung (2) längs eines Maßstabes (1), wobei die magnetische Teilung (2) Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß – die Montagehilfe (10) ein Anzeigeelement (11) aufweist, welches Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung voneinander unterscheidbar darstellt; – die Montagehilfe (10) entlang des Maßstabes (1) verschiebbar ist; – die Montagehilfe (10) eine Ausrichtmarkierung (13) aufweist, welche mit einem vordefinierten Bereich der dargestellten Magnetisierung in Übereinstimmung bringbar ist und – die Montagehilfe (10) eine Position (14) vorgibt, an welcher das Referenzelement (8) längs des Maßstabs (1) montierbar ist.
Montagehilfe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Führungsflächen (15, 16) angeordnet sind, welche eine parallele Führung am Maßstab (1) in Meßrichtung (X) gewährleisten.
Montagehilfe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Position durch einen in Meßrichtung (X) wirkenden mechanischen Anschlag (14) vorgegeben ist.
Montagehilfe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeelement eine Sensorfolie (11.1) ist, welche Bereiche unterschiedlicher Magnetisierung der Teilung (2) farblich unterscheidbar darstellt.
Montagehilfe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfolie (11.1) auf einem Träger (12) fixiert ist, daß auf der Sensorfolie (11.1) oder dem Träger (12) die Ausrichtmarkierung (13) aufgebracht ist, welche mit dem vordefinierten Bereich der sichtbaren Magnetisierung in Übereinstimmung bringbar ist.
Montagehilfe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeelement ein an einem Träger (12) verschiebbar oder drehbar gelagertes Element (11.2, 11.3) ist, dessen Lage relativ zum Träger (12) von der Lage des Trägers (12) relativ zur Teilung (2) abhängig ist.
Verfahren zur Zuordnung eines Referenzelementes (8) zu einer magnetischen Teilung (2) längs eines Maßstabes (1), gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Aufsetzen einer Montagehilfe (10) auf den Maßstab (1), wodurch die in Meßrichtung (X) unterschiedliche Magnetisierung der Teilung (2) an einem Anzeigeelement (11) der Montagehilfe (10) unterscheidbar sichtbar wird; – Verschieben der Montagehilfe (10) in Messrichtung (X) und in Übereinstimmung bringen einer Ausrichtmarkierung (13) der Montagehilfe (10) mit einem vordefinierten Bereich der anhand des Anzeigeelementes (11) dargestellten Magnetisierung; – Befestigen des Referenzelementes (8) nach erfolgter Übereinstimmung in einer von der Montagehilfe (10) vorgegebenen Position (14) längs des Maßstabs (1) neben der magnetischen Teilung (2).
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung der Teilung (2) auf einer Sensorfolie (11.1) sichtbar gemacht wird, und der vordefinierte Bereich des angezeigten Bildes mit der Ausrichtmarkierung (13) in Übereinstimmung gebracht wird.