DE2152469A1

DE2152469A1 - Linearpositionscodierer

Info

Publication number: DE2152469A1
Application number: DE19712152469
Authority: DE
Inventors: Turner Jun Robert B; Johnson Alford H; Pacini Elmo J
Original assignee: Control Systems Inc
Current assignee: Control Systems Inc
Priority date: 1970-10-20
Filing date: 1971-10-18
Publication date: 1972-06-15
Also published as: US3739649A; DE2152469B2; GB1352454A

Description

Linearpositionscodierer

Die Erfindung betrifft einen Linearpositionscodierer, der mit einer straff um eine Spule gewickelten Drahtschleife arbeitet, die einen umlaufenden Wandler zum Messen der Relativbewegung zwischen zwei Teilen antreibt, von denen das eine den Draht hält und das andere die Spule und den Wandler trägt, insbesondere einen Codierer, der eine Einrichtung zum Führen des Drahtes für seinen Verlauf über eine wiederholt zu durchlaufende Bahn auf der Spule und zur Berücksichtigung seiner seitlichen, sich zwangsläufig aus seiner Schleifenform ergebenden Verschiebung aufweist.

Es gibt eine Anzahl konventioneller Linearpositionsmeßgeräte, die für die Messung der geradlinigen Relativbewegung zwischen Teilen von Werkzeugmaschinen und ähnlichen Maschinen erhältlich sind. Zahnstangen-Ritzel-Getriebe werden zur Umwandlung geradliniger in Drehbewegungen verwendet, die unter Benutzung eines umlaufenden Impulsgenerators in einen Digitalausgang umgewandelt werden. Die Zahnstangen-Ritzel-Vorrichtung ist sehr kostspielig, unterliegt Zahnspiel-Fehlern und läßt sich auf der Maschine, deren Bewegungen gemessen werden sollen, nur schwer anbringen. Linearcodierer mit auf Glas- oder Metallskalen aufgeritzten oder aufgedruckten Strichen werden unter

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Verwendung eines Lesekopfs benutzt, der in Auswirkung der Relativbewegung der Striche einen Digitalimpuls-Ausgang liefert. Jedoch sind diese Linearcodierer etwa dreimal so teuer wie die Zahnstangen-Ritzel-Vorrichtung. Obwohl solche Linearcodierer recht genau sind, muß bei ihrem Einbau sehr viel Mühe darauf verwandt werden, die Teile richtig mechanisch auszurichten. Bandmaßcodierer arbeiten mit einem Metallband, das an einem Ende befestigt, zum Teil um einen Präzisions-Trommelmechanismus geschlungen und auf eine von einer Gegenhaltefeder angetriebene Aufwickelrolle aufgewikkelt wird. Die Trommel ist mit einem umlaufenden Impulsgenerator gekuppelt, dessen Ausgang aus Digitalimpulsen besteht. Die Bandmaßtechnik ist weniger kostspielig als die Zahnstangen-Ritzel-Technik, jedoch ist die damit über ausgedehnte Entfernungen erzielbare maximale Genauigkeit für die meisten Anwendungen unzureichend.

Die Technik der Verwendung eines um eine an einen umlaufenden Wandler gekuppelte Spule geschlungenen Drahtes wurde wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen bei Messungen, die sich auf Werkzeugmaschinen beziehen, in der Maschinenindustrie niemals angewandt. Eine typische Fehlerquelle bei solchen Vorrichtungen besteht in ihrer Unfähigkeit, den von der um die Spule oder die Rolle gelegten Drahtschleife gebildeten Schraubensteigungswinkel zu berücksichtigen; auch die Anhäufung oder das gegenseitige Sichüberdecken des Drahts an der Schleife in schmalen Rollenrillen und das axiale Entlangwandern der Schleife an einer zylindrischen Spule, wenn sich die Schleife längs des Drahts bewegt, tragen zu einem Mangel an Reproduzierbarkeit des Drahtweges über die Spule oder die Rolle bei*

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen einfachen, billigen, gedrängt gebauten, jedoch sehr genauen Linearposi-

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tionscodierer anzugeben, der die Technik eines gespannten, um eine Spule geschlungenen Drahts zum Antrieb eines umlaufenden Godierers verwendet, welcher sich einfach, billig und schnell einbauen läßt, der eine Einrichtung zum leichten Erzielen der korrekten Drahtlänge und-spannung und zum Einstellen des Spulendurchmessers zwecks schneller, genauer Eichung enthalten kann sowie eine Einrichtung zur Berücksichtigung der zwangsläufigen seitlichen Verlagerung der um die Spule geführten Schleife und eine Einrichtung zur Festlegung einer reproduzierbaren Bahn, längs der der Draht sich auf der Spule bewegen kann, wenn die Schleife an dem Draht entlangwandert, wobei auch eine Kompensation für infolge von Temperaturschwankungen eintretende Maschinenabmessungen erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Linearpositionscodierer gelöst, der eine einen einstellbaren Durchmesser aufweisende Spule enthält, die mit einem umlaufenden Wandler verbindbar und um ihren Umfang herum mit Führungsmitteln versehen ist, ferner eine Einrichtung zum Anbringen der Spule und des Wandlers an einer¹ von zwei geradlinig, relativ zueinander beweglichen Teilen sowie ersten und zweiten auseinanderliegenden Befestigungseinrichtungen, zwischen denen ein innerhalb der Führungsmittel um die Spule geschlungener Draht so gespannt ist, daß die geradlinige Relativbewegung zwischen der Spule und dem Draht in eine den umlaufenden Wandler antreibende Drehbewegung der Spule umgewandelt wird.

Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführun/Tsforin und den Zeichnungen hervor. In diesen zeigen:

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Fig. 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Stirnansicht des Linearpositionscodierers auf einer Senkrechtfräsmaschine, von der nur ein Teil in Stirnansicht dargestellt ist, und eine Seitenansicht eines zweiten, übereinstimmend ausgebildeten, an anderer Stelle auf derselben Fräsmaschine angebrachten Linearpositionscodierers ;

Fig. 2 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Stirnansicht des zweiten Linearpositionscodierers nach Fig. 1 auf der in Seitenansicht dargestellten Maschine nach Fig. 1 sowie eine Seitenansicht des ersten Linearpositionscodierers;

Fig. 3 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer einstellbaren Spule für die Verwendung an den Linearpositionscodierern nach Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer anderen an den Linearpositionscodierern nach Fig. 1 und 2 verwendbaren Spule;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Endplatte des Codierers, die zur Befestigung des Drahtendes und zur Berücksichtigung einer seitlichen Verschiebung verwendbar ist;

Fig. 6 eine schematiche Draufsicht auf den Linearpositionscodierer, die ein Verfahren zur Berücksichtigung einer seitlichen Verschiebung des Drahtes bei Geräten mit Gewinde tragenden Spulen gemäß Fig. 3 veranschaulicht ;

Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht des Oberteils der Spule

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nach Fig. 3 und 6, die besondere Abmessungen dieser Spule veranschaulicht; und

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf den Linearpositionscodierer, die ein Verfahren zur Berücksichtigung der seitlichen Verschiebung des Drahtes bei Spulen nach Fig. 4 verwendenden Geräten veranschaulicht.

Die Erfindung kann an einem Linearpositionscodierer 10 nach Figo 1 und 2 verwirklicht werden, der auf einer Vertikalfräsmaschine 12 angebracht ist. An dieser sind die den Draht 18 haltenden Endplatten 14, 16 unmittelbar mit dem Tisch 20 mittels Kopfschrauben 22, 24 und 26, 28 verbunden. Der Draht 18 wird mit etwa 1,8 kp belastet, nachdem er um die Spule 30 geschlungen ist, die mittels der Welle 32 an dem umlaufenden Impulsgenerator 34 befestigt ist. Dieser ist auf dem Gehäuse 36 angebracht, das seinerseits auf dem Sattel 38 befestigt ist, auf welchem der Tisch 20 gleitet.

Befestigungsringe 40, 42 halten die Abdeckbälge 44 an der Endplatte 14 und dem Gehäuse 36 und Befestigungsringe 46, 48 die Abdeckbälge 50 am Gehäuse 36 und der Endplatte 16. Ein Tragkabel 52, das ebenfalls an den Endplatten 14, 16 befestigt ist, ist vorgesehen, um ein Zusammenfallen der Bälge 44, 50 auf dem Draht 18 zu verhindern. Sowohl das Kabel 52 als auch der Draht 18 gehen durch Bohrungen 54, 56 in dem Gehäuse 36. Die Endplatten 14 und 16 enthalten Stellschrauben 58, 60, durch die die Stellung der Endplatten auf den sie tragenden Kopfschrauben einstellbar ist.

Ein ebenfalls in Fig. 1 und 2 dargestellter zweiter Codierer 10' hat ein auf dem Sattel 32 angebrachtes Gehäuse 36' und Endplatten 14», 16', die auf der Grundplatte 64 auf dem Fußgestell 62 der Maschine 12 angebracht sind. Die Endplat-

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ten 14^!, 16· des Codierers 10» sind also ortsfest, und sein Gehäuse 36' ist beweglich, während der Codierer 10 bewegliche Endplatten 14, 16 und ein ortsfestes Gehäuse 36 hat.

Wenn im Betrieb der Maschine gemäß Fig. 1 und 2 sich der Tisch 20 gegenüber dem Sattel 38 bewegt, bewegt sich der an dem Tisch 20 durch die Endplatten 14, 16 befestigte Draht 18 mit dem Tisch 20, und die Schlinge des Drahtes 18 dreht die Spule 30, die mit dem an dem Sattel 38 befestigten Wandler 34 verbunden ist, wobei sie einen die Bewegung des Tisches 20 wiedergebenden Ausgang an dem Wandler 34 erzeugt. In ähnlicher Weise bewegt sich, wenn der Sattel 38 sich gegenüber dem Fußgestell 62 bewegt, die Spule 30» mit dem an dem Sattel 38 befestigten Wandler 34^! und läßt die Spule 30^r durch die Schlinge des Drahtes 18' drehen, dessen Enden an den auf der an dem Fußgestell 62 angebrachten Grundplatte 64 befestigten Grundplatte 64 befestigten Endplatten 14«, 16* befestigt sind.

Bei bevorzugten Ausführungsfbnnenhat die Spule 30 als Führungsmittel für die Schleife des Drahts 18 ein schraubenförmiges Gewinde 70 auf dem Umfang eines ringförmigen Teils 72 (Fig. 3), das eine konische Bohrung 74 aufweist. Der Stöpsel 76, der eine konische Außenfläche 78 hat, paßt in die Bohrung 74 und wird in sie durch den von einer auf einer Unterlegscheibe 82 aufliegenden Mutter 80 ausgeübten Druck hineingezogen, wenn die Mutter 80 auf dem mit Gewinde versehenen, von dem Stöpsel 76 abstehenden Schaft 84 angezogen wird. Wenn die Mutter 80 in dieser Weise angezogen wLrcl, wird der Stöpsel 76 in das ringförmige Teil Ii. hin*? i uge-zogen und vergrößert seinen Durchmesser, und wenn die Mutter 80 gelöst wird, wird der Stöpsel 76 aus der Bohrung 74 herausgedrückt, wobei sich der Durchmesser des ringförmigen

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Teils 72 vermindert. Auf diese Weise kann der Umfang des Gewindes 70 verändert werden, um den Codierer zu eichen. Eine mit dem Stöpsel 76 gegebenenfalls aus einem Stück bestehende Welle 86 wird für den Antrieb des Impulsgenerators 34 benutzt.

Bei anderen Ausführungsformen kann das Gewinde 70 vermieden und können Begrenzungsführungen benutzt werden, wie z.B. ein Kanal 90, der von der glatten zylindrischen Oberfläche 92 gemäß Fig. 4 gebildet wird sowie von Umfangswänden 94. In Fig. 4 stimmt die Spule 30· mit der Spule 30 in Fig. 3 überein, abgesehen von der Verwendung eines Ka- i nals 90 anstelle des Gewindes 70, und gleiche Teile sind hier mit gleichen ßezugszeichen versehen. Der Abstand zwischen den Wänden 94 ist vorzugsweise angenähert gleich: (n+1) (d), wobei η die Anzahl der Windungen ist, in denen der Draht 18 um die Spule 30 geführt ist, und d der Durchmesser des Drahts 18.

Entweder eine oder beide Endplatten 14, 16 können eine Nut 100 (Fig. 5) enthalten, in der eine Druckplatte 102 befestigt ist, die mit Hilfe von Schrauben 104, 106 zur Befestigung des Drahts 18 angezogen werden kann, wobei die Schrauben 104, 106 durch Gewindebohrungen 108, 110 zugänglich sind und mit diesen in Eingriff stehen können«, Das | Tragkabel h?¹ ist in ähnlicher Weise mit Hilfe von Schrauben 112, 1 U+ befestigt, die durch Gewindebohrungen 116, hindurch zugänglich sind und mit diesen in Eingriff stehen können.

Die zwangsläufige seitliche Verschiebung des Drahts 18, die bei Verwendung der mit Gewinde versehenen Spule 30 (Fig. 3) auftritt, ist eine Funktion des Steigungswinkels des Gewindes 70, des mittleren Gewindedurchmessers D und

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der Steigung p (Fig. 7).

Die Herkunft dieser Verschiebung ist in Fig. 6 veranschaulicht, wonach ein Ende A des Drahts 18 in einem bekannten Abstand e von einem Bezugskörper 120 befestigt ist. Um ein Kriechen, Verbiegen oder andere seitliche Beanspruchungen des Drahts 18 zu verhindern, sollte die linke Hälfte 18a des Drahts 18 parallel zu dem Gewinde und zu der rechten Hälfte 18b verlaufen. Um dies zu erreichen, muß das andere Ende B des Drahts 18 deshalb in einer Entfernung h plus e von dem Bezugskörper 120 angebracht werden; d.h. das Ende B muß um den Abstand h gegenüber dem Ende A abstehen. Da der Draht bei jeder Umdrehung r der Spule 30 in seitlicher Richtung wirksam um einen Abstand, der gleich der Steigung ρ (Fig. 7) ist, verschoben wird, wird der Abstand h durch die Anzahl Umdrehungen r bestimmt, die die Spule 30 längs des Abstands

den
χ zwischen/Enden A und B macht. Der Umfang der Schleife

istiT D, wobei D der mittlere Schleifendurchmesser (Fig.7) ist, so daß die Anzahl der Umdrehungen r gleich ist -2L.

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und der Abstand h gleich ist ^p₀ · p. Dieser Ausdruck bestimmt h, wenn eine Schleife um die Spule 30 gelegt ist. Der verallgemeinerte Ausdruck, der Systeme umfaßt, welche mehr als eine Schleife verwenden, ist h = ^x _β ρ + Γ(η-1 )p7,

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wobei η die Gesamtzahl der Schleifen ist.

Die seitliche Verschiebung wird von den einstellbaren Endplatten 14, 16 aufgenommen, deren Stellungen mit Hilfe von Bolzen 22, 24, 26, 28 und Stellschrauben 58, 60 verändert werden können_o

Im Gegensatz hierzu ist die seitliche Verschiebung, die bei der Spule 30* (Fig. 4) auftritt, ein Ergebnis der Tat-

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sache, daß die beiden Enden des Drahts um einen Betrag verstellt werden, der gleich dem Durchmesser d des Drahts für jede Schleife um die Spule 30' ist, und zwar wegen des Nebeneinanderliegens des Drahts, wo er an der Schleife um die Spule 30· überlappt. In Fig. 8, wo das Ende G des Drahts 18 im Abstand f von dem Bezugskörper 130 befestigt ist, wird das andere Ende H des Drahts 18 in dem Abstand f + O von dem Bezugskörper 130 befestigt. Der Verschiebungsabstand O ist gleich dn, wobei d der Durchmesser des Drahts 18 und η die Anzahl der Schleifen um die Spule 30· ist. Die Verschiebung O wird durch Verwendung einstellbarer Endplatten 14, 16 berücksichtigt, wie unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 erläutert, um seitliche Kräfte, die auf den Draht 18 an der Schleife einwirken, daran zu hindern zu veranlassen, daß er sich über sich selbst legt oder seitlich auf der Spule kriecht.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1» Linearpositionscodierer zur Ermittlung oder überwachung der Positionen von Maschinenteilen insbesondere von Werkzeugmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß er eine mit einem umlaufenden Wandler (34) verbindbare Spule (30) umfaßt, die an ihrem Umfang mit einer Führungseinrichtung (90) versehen und zusammen mit dem Wandler (34) an einem (38) von zwei geradlinig relativ zueinander bewegbaren Teilen (38; 20) befestigbar ist, daß erste und zweite Befestigungsmittel (14, 16) auf dem anderen (20) der Teile (38, 20) auseinanderliegend angebracht sind, zwischen denen ein Draht (18) stramm gespannt gehalten wird, der innerhalb der Führungseinrichtung (90) derart um die Spule (30) geschlungen ist, daß er die geradlinige Relativbewegung zwischen der Spule (30) und dem Draht (18) in eine den umlaufenden Wandler (34) antreibende Drehbewegung der Spule (30) umwandelt.
2. Linearpositionscodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30) mit einer Einrichtung (72, 76, 78, 80) zur Veränderung ihres Durchmessers versehen ist.
3. Linearpositionscodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30) ein ringförmiges Teil (72) umfaßt, das die Führungseinrichtung (90) enthält.
4. Linearpositionscodierer nach Anspruch 3, d a durch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung ein Schraubengewinde (70) umfaßt.

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5. Linearpositionscodierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Teil (72) eine darin axial verlaufende, konische Bohrung (78) enthält.
6. Linearpositionscodierer nach Anspruch 5, dadurch geken η ζ eichnet, daß die Spule (30) einen Stöpsel (76) enthält, der eine konisch verlaufende Außenumfangsflache aufweist, die mit der Bohrung (78) zusammenzuarbeiten vermag.
7. Linearpositionscodierer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stöpsel (76, 76') einen konzentrisch zu ihm angeordneten Schaft (86, 86') enthält, der sich in einer ersten axialen Richtung von ihm fort erstreckt.
8. Linearpositionscodierer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stöpsel (76, 76») und der Schaft (86, 86«) aus einem Stück bestehen.
9. Linearpositionscodierer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Stöpsel (76, 76') einen zweiten konzentrisch zu ihm angeordneten Schaft (84, 84¹) enthält, der mit Gewinde versehen ist und sich in einer zweiten axialen Richtung von ihm fort erstreckt.
10. Linearpositionscodierer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30) eine auf dem zweiten Schaft (84, 84») angeordnete Unterlegscheibe (82, 82·) enthält, die an dor dem Stöpsel (76, 76') gegenüberliegenden Seite der ringförmigen Teils (72, 72') anliegt.

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11. Linearpositionscodierer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30) eine Mutter (80, 80') aufweist, die auf das Gewinde des zweiten Schafts (84, 84') aufbringbar und in der Weise gegen die Unterlegscheibe (82, 82') schraubbar ist, daß dadurch die konische Außenfläche des Stöpsels (76) in die Bohrung (78, 78«) des ringförmigen Teils (72, 72') zwecks Vergrößerung seines Außendurchmessers einziehbar ist.
12. Linearpositionscodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein umlaufender Impulsgenerator (34, 34') ist.
13. Linearpositionscodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Befestigungsmitteln (14, 16; 14·, 16') und der Spule (30) eine Abdeckeinrichtung (44, 50; 44«, 50·) für den Draht (18) angebracht ist.
14. Linearpositionscodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel je eine Endplatte (14^ 16; 14«, 16«) für die Befestigung des Drahtes (18) enthalten.
15. Linearpositionscodierer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einstellvorrichtung für die gegenseitige Verschiebung der festgelegten Enden des Drahtes (18) in Richtung parallel zur Achse der Spule (30) zwecks Ausgleichs der seitlichen Verschiebung des Drahtes vorgesehen ir.t.

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16. Linearpositionscodierer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung eine erste an dem einen der gegenseitig verschiebbaren Teile (102), an denen der Draht (18) befestigt ist, angebrachte Einrichtung enthält, die in gleitendem Eingriff mit der Endplatte (14, 16) steht, und eine zweite Einrichtung (22, 24) zum Befestigen der Endplatte (14, 16) an der ersten Einrichtung in einer ausgewählten Stellung.
17. Linearpositionscodierer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Endplatten (14, 16) Mittel zum Einstellen der Länge und/oder Spannung des Drahtes (18) enthält.

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