DE2929488C3 - Optischer Linearkodierer mit einer Linearskala - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Linearkodierer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Bei einem solchen, aus der DE-OS 23 49 944 bekannten Linearkodierer ist eine Feder vorgesehen, durch deren Kraft die Index-Skala gegen die Linearskala gedrückt wird.

In einem Aufsatz von A. Ernst "Neuere Entwicklungen bei photoelektrischen Längenmeßgeräten" in der Zeitschrift "messen + prüfen/automatik", 1974, Teil 2, S. 435—438 ist unter 3. ein optischer Linearkodierer "MI-NILIDA 300" mit einem Linearmaßstab aus Glas und mit Durehüchtabtasiung beschrieben. Die Index-Skala ist auf einem kleinen Wagen angeordnet, der mit drei Kugellagern auf der Glasoberfläche des Linearmaßstabs beiderseits der Skaleneinteilung läuft. An einem Justiereinsatz ist der Wagen über Blattfedern angekoppelt, die dazu dienen, den Wagen seitlich entlang des Linearmaßstabs zu führen und senkrecht zum Maßstab die Montagetoleranzen und die Fluchtungsabweichungen der Linearmaßstabsteilungsfläche auszugleichen.

Eine in ihrer Relativlage zum Linearmaßstab festgelegte Führung der Index-Skala auf deren Weg entlang des Linearmaßstabes ist bei diesem Linearkodierer nicht gegeben. Mit Hilfe von weiteren Federn wird der Wagen an den Linearmaßstab gedrückt

Bei der Erzeugung einer den Linearmaßstab und die Index-Skala über Berührungselemente aneinanderpressenden Kraft mit Hilfe einer Feder besteht die Gefahr, daß sich diese Kraft bei der Relativbewegung zwischen

&iacgr;&ogr; dem Linearmaßstab und der Index-Skala aufgrund einer ungleichmäßigen Wirkung der Feder ändert, wodurch die angestrebte gleichmäßige Anlage der Index-Skala an dem Linearmaßstab nicht mehr gegeben ist Auch eine die genaue Führung der Index-Skala längs des und quer zum Linearmaßstab ist nicht gewährleistet Die relative Lage von Index-Skala und der Skaleneinteilung des Linearmaßstabs hängt von der gerade vorliegenden Andruckkraft ab, so daß eine gleichbleibende Lagekorrelation nicht möglich ist und daher die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

In dem bereits genannten Aufsatz von A. Ernst ist unter 2. ein optischer Linearkodierer "MINILIDA 170" beschrieben, der einen Maßstabskörper in der Form eines U-Profils aufweist, an dessen Boden ein bandförmiger Linearmaßstab mit einer vollständigen Seitenfläche befestigt ist. Ein die Index-Skala und eine optische Abtasteinrichtung tragender Wagen läuft mit Rollen auf der Basisfläche des U-Profils und auf einer Innenfläche einer Seitenwand des U-Profils. Die Vorspannung der Rollen wird in beiden Ebenen durch kleine Permanentmagnete bewirkt. Gegenüber den vorhergehend erörterten, bekannten optischen Linearkodierern, bei denen die Index-Skala unter Federwirkung an den Lincarmaßstab angedrückt wird, unterscheidet sich dieser Lincarkodierer unter anderem ganz wesentlich dadurch, daß sich der die Index-Skala tragende Wagen nicht auf dem Linearmaßstab abstützt, sondern auf außerhalb dieses und neben diesem verlaufenden Bahnen, die Teile des Bodens bzw. einer Seitenwand des U-förmigen Profils sind. Um eine hohe Meßgenauigkeit zu erhalten, ist es erforderlich, daß die Laufbahnen für die Rollen des Wagens mit außerordentlich hoher Präzision hergestellt sind. Dies gilt sowohl für ihre Zuordnung zueinander und zu dem bandförmigen Linearmaßstab als auch für ihre über die gesamte Länge des U-Profils gleichbleibende Ebenheit und für ihre Laufflächengüte. Die Herstellung solcher Laufflächen in metallischen U-Profilen ist produktionstechnisch sehr aufwendig und schwierig. Wenn an den U-Profilen Deformationen auftreten, so

so werden davon auch die Laufbahnen beeinflußt, so daß die für eine hohe Meßgenauigkeit erforderliche, konstante Lagebeziehung zwischen dem Wagen und dem bandförmigen Linearmaßstab nicht mehr gewährleistet ist, da sich der Wagen an Innenflächen des U-Profils abstützt. Bei einem U-Profil ergeben sich bei einer Biegung um eine quer zur Längsrichtung des U-Profils und parallel zu dessen Bodenfläche verlaufende Achse nicht nur vertikale Durchbiegungen des U-Profils, sondern es treten in der Praxis bei einseitig offenen Profilen auch Querschnittsverformungen, d.h. Auswanderungen der Seitenwände auf. Bei der angestrebten Meßgcnäuigkeit können solche Verformungen durchaus relevant sein, da nicht nur die Bodenfläche des U-Profils zwei Laufbahnen, sondern auch eine der Seitenflächen eine Laufbahn aufweist.

Aus der DE-AS 22 07 374 ist ein Linearkodierer bekannt, bei welchem die Linearskala am Boden eines trogförmigen Gehäuses mit U-Querschnitt befestigt ist.

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Der längs der Linearskala bewegbare Abtastschlitten ist die Magnetkraft an das Führungselement "angesaugt"

bei diesem Gerät auf an den Oberkanten der Schenkel wird und damit stets an einer unmittelbar am Linear-

des Gehäuses vorgesehenen Kunststoff-Gleitschienen maßstab festliegenden "Führungsbahn" anliegt Damit

geführt, die ihrerseits in an den oberen Enden der ergibt sich eine gleichbleibende Lagebeziehung zwi-

Schenkel angebrachten Magnetleisten eingebettet sind. 5 sehen dem Linearmaßstab und der Index-Skala, so daß

Der Abtastschlitten besteht aus magnetisierbarem Ma- eine sehr hohe Meßgenauigkeit erhalten wird,

terial und wird somit an die oberen Enden der Schenkel Eine Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteran-

des trogförmigen Gehäuses von den dort angeordneten sprach angegeben. ....

Magnetleisten angezogen. Bei diesem bekannten Gerät Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand

ist die Linearekala mti einer Seitenfläche in den Boden io der Zeichnung erläutert Im einzelnen zeigt

des Gehäuses eingebettet und wird daher bei eventuel- F i g. 1 eine quergeschnittene Ansicht von einer Aus-

len Verformungen des Gehäuses voll beeinträchtigt führungsform eines optischen Linearkodierers.

Außerdem werden bei einer Verformung des trogförmi- F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der Linearskala

gen Gehäuses auch die entlang der oberen Enden der und des Gleitstückes nach F &igr; g. 1,

Seitenwände des Gehäuses verlaufenden Führungsbah- 15 Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische

nen für den Abtastschlitten in ihrer Relativlage zu der Ansicht des in F i g. 2 gezeigten Gleitstuckes,

Linearskala verändert bzw. verformt, so daß dann die F i g. 4 eine teilweise geschnittene Vorderansicht von

Relativlage der Indexskala zur Linearskala verändert einem Teil des Gleitstückes und des Armes im zusam-

wird und präzise Messungen nicht mehr mög.ich sind. mengebauten Zustand.

Aus der DE-AS 22 13 373 ist es bekannt, bei Körper- 20 Nach F i g. 1 hat ein kaltgezogenes Gehäuse 1 einen schallwandlern statt mechanischer Federn Magnetsy- im wesentlichen rechteckförmigen Hohlquerschnitt mit sterne anzuwenden, die nicht nur zum Aufhängen einer einer Längserstreckung senkrecht zur Ebene der F1 g. 1. schwingungsfähigen Masse, sondern auch zum Führen Längs einer der longitudinalen Seiten des Gehäuses ist eines Körpers längs eines geraden Weges dienen sollen, eine Öffnung 2 vorgesehen, die sich im wesenihcnen wobei aber ein Luftspalt zwischen relativ zueinander 25 über die gesamte Gehäuselänge erstreckt bewegten Teilen besteht. Abgesehen davon, daß diese Ein Erfassungsmechanismus 3 als bewegliches ESe-Lehre auf einem grundsätzlich von Linearkodierern un- ment liegt über einem Paar Gleitelemente 4, 4 auf der terschiedlichen Gebiet liegt, ist dort auch keine Lehre seitlich der Öffnung befindlichen Außenfläche des Gezur Führung von unter Magnetkraft aneinander anlie- häuses 1 auf und kann sich in Längsrichtung des Gehäugenden relativ zueinander bewegbaren Teilen offen- 30 ses 1 bewegen. Ein an der Unterseite des Erfassungsmeb"_art ' chanismus 3 angeformter Arm 5 erstreckt sich durch die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen opti- Öffnung 2 in das Gehäuse 1. An der Außenseite des sehen Linearkodierer der im Oberbegriff des Anspru- Gehäuses 1 nahe der Öffnung 2 ist ein Paar Magnete 6,6 ches 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die angeordnet, die sich in Längsrichtung des Gehäuses 1 Berührungskraft und die Relativlage quer zur Längser- 35 erstrecken. Des weiteren wird ein aus einer dünnen Streckung des Linearmaßstabes zwischen Linear- und Stahlplatte bestehendes Schließelement 7 von den Ma-Index-Skala unabhängig von deren Längs-Relativbewe- gneten 6,6 angezogen, so daß es die Öffnung 2 abdeckt, gung konstant bleibt und bei dem eine hohe Meßgenau- um das Eindringen von Staub oder dgl. ins Innere des igkeit unabhängig von Verformungen des Maßstabes Gehäuses 1 durch die Öffnung 2 zu verhindern. Das oder dessen Trägers gewährleistet ist. 40 Schließelement 7 ist an der Stelle, wo sich der Arm des Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Erfassungsmechanismus 3 befindet, in einer Nut 8 mit Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale einem flachen dachartigen longitudinalen Querschnitt gelöst eingesetzt, die im Erfassungsmechanismus 3 ausgebildet Durch die erfindungsgemäße Anwendung einer Ma- ist und sich an ihren beiden Enden zur Unterseite des gnctkrafl zum Aneinanderziehen von Linear- und In- 45 Erfassungsmechanismus 3 öffnet. Der von der Nut 8 dex-Skala über die Berührungselemente nicht nur in überragte Arm 5 kann daher in das Gehäuse 1 BingeRichtung auf die der Index-Skala zugewandten Fläche setzt werden.

des Linearmaßstabes, sondern auch in Richtung auf eine Eine z. B. aus Glas bestehende Linearskala 10, die an aus dieser Fläche herausragende, längs des Linearmaß- einer Seite eine Einteilung 10 A in Form eines vertikalen Stabes verlaufende Führungsfläche des Führungsele- 50 Strichmusters (vgl. Fig. 2) trägt, ist mit ihrer unteren mentes ist nicht nur eine sehr viel gleichmäßigere Er- Kante in eine Nut 9 eingesetzt, die in Längsrichtung des zeugung und Beibehaltung der Anpreßkraft über die Gehäuses 1 ausgebildet ist. In dieser Nut wird die Skala gesamte Weglänge entlang des Linearmaßstabes mög- mittels eines Klebstoffs 11 oder dgl. gehalten, lieh, sondern auch eine sichere Lagekorreliei ung von Der Arm 5 des Erfassungsmechanismus 3 erstreckt Linearmaßstab und Index-Skala durch gegenseitiges 55 sich in das Gehäuse 1, wobei der Arm oder die VeganAneinanderliegen über Berührungselemente senkrecht gerung bei 5&Lgr; ausgespart ist, indem man einen Aus- und quer zum Linearmaßstab, so daß eine exakte paral- schnitt von einer Seite und von der Unterfläche aus IeIe Ausrichtung der vertikalen Striche der Skalen-Ein- angebracht hat, so daß eine vordere Wand und hintere teilung des Linearmaßstabes und der vertikalen Striche Wände verbleiben, die mit Langlöchern 5 B versehen der Index-Skala stets beibehalten wird. Dies wird bei 60 sind. Ein Gleitstück 13 ist an seinem oberen Ende mittels dem erfindungsgemäßen optischen Linearkodierer da- Lagern 12 so gehalten, daß es in den Langiöchern 5 B durch erreicht, daß die von dem Permanentmagneten ausschwenken und sich vertikal bewegen kann, auf das aus einem magnetisierbaren Material bestehen- Das Gleitstück 13 trägt ein plattenförmiges Verbinde Führungselement ausgeübte Anzugskraft so wirkt, dungselement 13&Lgr;, ein dickes Befestigungselement 13 B daß die Index-Skala sowohl an die Führungsfläche als 65 für einen Lichtgeber, das an einem abgebogenen Ende auch in Richtung auf die zur Index-Skala hingewandte des Verbindungselementes 13 A der einen Fläche der Fläche des Linearmaßstabes angezogen wird. Anders Linearskala 10 ohne Stricheinteilung 10 A gegenüberausgedrückt bedeutet dies, daß die Index-Skala durch liegend angeschraubt ist, und ein dickes Befestigungs-

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element 13 C für einen Lichtempfänger, das an seinem oberen Ende an einer mittleren Stelle des Verbindungselementes 13 A angeschraubt ist und der andere mit der Stricheinteilung 10 A versehenen Oberfläche der Linearskala Iß gegenüberliegt. Das Gleitstück 13 ist an den Lagern 12 mittels Stiften 13 D gehalten, die am oberen Ende des Verbindungselementes 13 A vorgesehen sind. Zwischen der inneren Endfläche des Innenringes von jedem Lager 12 und den betreffenden Seiten des Verbindungselementes 13 A sind Tellerfedern 13 E angeordnet, so daß zwischen Verbindungselement 13 A und der Endfläche des Lagers 12 kein Spalt verbleibt, was eine direkte Übertragung der Bewegung des Armes 5 senkrecht zur Zeichnungsebene in F i g. 1 ermöglicht.

iiinc indcxska'a J4 mit einer Stricheinteüung 14 A in Form eines Musters aus vertikalen Strichen ähnlich wie an der Linearskala 10 ist an der Fläche des Verbindungselementes 13 A des Gleitstückes 13 befestigt, die der Linearskala 10 gegenüberliegt. Lichtabgebende Vorrichtungen 15, wie Lichtquellen, und lichtaufnehmende Vorrichtungen 16, bestehend z. B. aus einem Fototransistor, sind unter Zwischenlage der Indexskala 14 und der Linearskala 10 vorgesehen. Die lichtgebenden Vorrichtungen 15 sind am Befestigungselement 13 B gehalten, das an dem abgebogenen Ende des Verbindungseleincnlos 13 A angeschraubt ist, während die lichtaufnchmcnden Vorrichtungen 16 an dem Befestigungselement 13 C angebracht sind, das an einer mittleren Stelle des Verbindungselementes 13 A angeschraubt ist Die lichtgebenden und lichtaufnehmenden Vorrichtungen 15,16 sind jeweils paarweise vorgesehen.

Zwei Magnete 17 sind in der Oberfläche des Befestigungselementes i3 C, das mit der Indexskala 14 versehen ist, eingebettet, so daß die Indexskala zwischen den Magneten zu liegen kommt, und Stifte 18 sind an jeder Außenseite der beiden Magnete an einer Stelle eingesetzt, die etwas unterhalb der halben Höhe des betreffenden Magneten liegt Jeder Stift besteht aus einem gehärteten Stahlmaterial und sein freies Ende steht von der Oberfläche des Befestigungselementes 13 Cab.

Das Befestigungselement 13 C ist über etwa die untere Hälfte seiner mit der Indexskala 14 versehenen Oberfläche bei 13 Fabgesetzt und ebenfalls sind die Magnete 17 an der unteren zum Absatz 13 Fausgerichteten Hälfte mit einem Absatz 17 A versehen. Durch Vorsehen des Absatzes 13 Fliegt der Stift 18 an seinem unteren Bereich unterhalb des Absatzes teilweise frei. Ein Element in Form einer Führungsleiste 19 ist an der Linearskala 10 der freiliegenden unteren Fläche des Stiftes 18 gegenüberliegend, vorgesehen. Die Führungsleiste 19 besteht aus einem magnetisierbaren Material, z. B. einem Stahlstreifen, und ist in Längsrichtung an der Linearskala 10 parallel zu der Strichteilung 10 A dergestalt befestigt, daß sie mit einem bestimmten Spiel in den Absatz 13 F des Befestigungselementes 13 C einliegen kann. Die schmale Oberseite der Führungsleiste 19, an der der Stift 18 anliegt hat durch Präzisionsfertigüng eine ausreichende Geradlinigkeit

Ein Joch 20 ist an der Oberfläche des Befestigungselementes 13 C, die der mit der Indexskala 14 versehenen Fläche abgewandt ist, angeordnet und schließt den magnetischen Weg der beiden Magnete 17. Die in das Befestigungselement 13 C eingebetteten Abschnitte des Joches 20 berühren die Rückseite der beiden Magnete 17. In Aussparungen, die an beiden Enden der oberen Fläehe des Befestigungselementes 13 C ausgebildet sind, sind Rollen 21 drehbar gehalten und eine weitere Rolle befindet sich in der Mitte der unteren Oberfläche des

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50 Befestigungselementes, so daß insgesamt die Rollen an drei Stellen vorgesehen sind. Diese Rollen 21 können auf der mit der Strichteilung 10 A versehenen Oberfläche der Linearskala 10 abrollen. Dies bewirkt eine Anlage des Stiftes 18 an der oberen Fläche der Führungsleiste 19, wobei jede Rolle 21 an der mit der Strichteilung versehenen Fläche der Linearskala 10 durch die Wechselwirkung zwischen den Magneten 17 und der Führungsleiste 19 anliegt, wenn das Befestigungselement

13 Cmagnetisch an die Linearskala 10 angezogen wird. Bei Bewegung eines auszumessenden Gegenstandes,

indem entweder das Gehäuse 1 oder der Erfassungsmechanismus 3 als bewegliches Element am Gegenstand angesetzt und das verbleibende andere Element fixiert wird, ergibt der Linearkodierer mit einem derartigen Aufbau ein optisches Muster aus hellen und dunklen Streifen aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Strichteilung 10 A der Linearskala und der Strichteilung

14 A der Indexskala 14. Der Betrag der Bewegung des auszumessenden Gegenstandes wird ermittelt, indem durch die lichtempfangenden Vorrichtungen 16 bzw. fotoelektrischen Wandler das Streifenmuster erfaßt wird. Da das Gleitstück 13 mittels der Lager 12 und der Langlöcher 5 B gemäß F i g. 1 schwenkbar und vertikal beweglich angeordnet ist und die aus magnetischem Material bestehende Führungsleiste 19 sich unterhalb des Absatzes 17 &Lgr; der Magnete 17 befindet, so daß eine magnetische Kraft in einer Richtung vorliegt bei der beide Elemente fest aufeinander gezogen werden, wird der Stift 18 in enge Berührung mit der oberen Fläche der Führungsleiste 19 und jede Rolle 21 in enge Berührung mit der Fläche der Linearskala 10 gedrückt Daher bewegt sich das Befestigungselement 13 C in stabiler Weise längs der Linearskala 10. Die Strichteilung 10 A der Linearskala 10 und die Strichteilung 14/4 der Indexskala 14 bewegen sich daher ebenfalls exakt parallel zueinander, so daß an den lichtempfangenden Vorrichtungen 16 kein fehlerhafter Zählvorgang erzeugt wird.

Da, wie vorausgehend beschrieben, bei dieser Ausführungsform die enge Berührung zwischen Indexskala 14 und Linearskala 10 durch eine magnetische Anziehungskraft bewirkt wird, können die Rollen 21 am Gleitstück 13 und die Linearskala 10 in enger stabiler Berührung gegeneinander ohne Anheben oder dgl. gleiten und es wird daher ein fehlerhafter Zählvorgang, bedingt durch eine Schräglage der Strichteilung 10 A der Linearskala 10 zur Strichteilung 14&Lgr; der Indexskala 14, verhindert Da ferner das Gleitstück 13 bei seiner Bewegung durch die Stifte 18 und die obere Fläche der Führungsleiste 19 geführt ist, ergibt sich eine preisgünstigere und genauere Führungsanordnung im Vergleich zu einer Führung auf der oberen Fläche der Linearskala 10. Da ferner kein Element mit instabiler Konfiguration, wie z. B. eine Feder, für die Anordnung des Gleitstückes 13 am Arm 5 vorgesehen ist wird die Streuung in der Ablesegenauigkeit verringert und da das Gleitstück 13 sich nur längs der mit der Skala versehenen Fläche der Linearskala i0 bewegt kann es exakt Unebenheiten oder einer Verformung der Linearskala 10 nachfolgen, so daß auch unter diesen Umständen eine hohe Genauigkeit beibehalten wird. Da ferner der Magnet 17 über etwa seine untere Hälfte den Absatz 17 A aufweist in den die Führungsleiste 19 aus magnetisierbarem Material eingreifen kann, wird der Stift 18 durch die Magnetkraft veranlaßt, stets an der oberen Fläche der Führungsleiste 19 anzuliegen, wodurch die Bewegungsstabilität weiter erhöht wird.

Es könnte eine Führungsleiste 19 mit kreisförmigem

Querschnitt vorgesehen werden. Wesentlich ist nur, daß die am Gleitstück 13 befestigte Indexskala 14 magnetisch an die Linearskala iO angezogen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Optischer Linearkodierer mit einem aus nichtmagnetisierbarem Material bestehenden, streifenförmigen, an einem Längsrand gehalterten Linearmaßstab mit einer Skalen-Einteilung, die in bestimmtem Abstand voneinander befindliche Striche aufweist, einer Index-Skala, die mit einer Einteilung von in bestimmtem Abstand voneinander befindlichen Strichen versehen ist und längs des Linearmaßstabes, diesem in festem Abstand gegenüberliegend, beweglich geführt ist, wobei eine den Lineamiaßstab und die Sndcx-Skala über Berührungselcmente aneinanderpressende Kraft zur Wirkung gelangt, sowie mit einer mit der Index-Skala verbundenen und mit dieser bewegbaren Beleuchtungseinrichtung und mit einer mit der Index-Skala verbundenen und mit dieser bewegbaren photoelektrischen Wandler-Einrichtung, welche die Relativbewegung zwischen dem Linearmaßstab und der Index-Skala abtastet, dadurch gekennzeichnet,

daß an der der Index-Skala (14) zugewandten Fläche des Linearmaßstabes (10) an diesem ein in dessen Längserstreckung verlaufendes Führungselement (19) aus einem magnetisierbaren Material angebracht ist,

daß an der Index-Skala (14) dem Führungselement (19) zugewandte Magnete (17) angebracht sind,
daß die Index-Skala (14) über erste Berührungselemente (21) an dem Linearmaßstab (10) und gleichzeitig über zweite Berührungselemente (18) an einer Führungsflächc des Führungselementes (19) unter der Wirkung der Magnetkraft anliegt.

2. Linearkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Indexskala (14) und die Magnete (17) integral an einem Befestigungselement (13 C) befestigt sind, an welchem an zwei in Longitudinalrichtung des Linearmaßstabs (10) verlaufenden Seiten Berührungselemente, beispielsweise Laufrollen (21), die an der zur Indexskala (14) hingewandten Fläche des Linearmaßstabs (10) anliegen, angebracht sind.