DE29724727U1

DE29724727U1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE29724727U1
Application number: DE29724727U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2007-10-23

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20. Oktober 1997

Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

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

Derartige Meßeinrichtungen werden zur inkrementalen oder absoluten Positionsbestimmung bei Bearbeitungsmaschinen sowie bei Koordinatenmeßmaschinen eingesetzt.

Bei lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtungen wird ein Maßstab berührungslos 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 Abtasteinheit 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 Entladung erfolgt. Diese sprunghafte Entladung verursacht einen elektrischen Impuls, der als Störimpuls wirkt und insbesondere bei inkrementalen Meßsystemen von der Auswerteeinheit als Zählimpuls oder als Referenzmarkenimpuls 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 angeordnet. Diese Abtastplatte ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und am Bezugspotential (Erde) angeschlossen; sie soll dadurch eine Abschirmung der Photodetektoren gegen elektromagnetische Störfelder bewirken.

Diese Maßnahme hat den Nachteil, daß die Abtastplatte nicht aus transparentem Material hergestellt werden kann. Weiterhin können vom Maßstab ausgehende Störsignale durch diese Maßnahme nicht verhindert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung die Störsicherheit zu verbessern.

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

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

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

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

Es zeigt
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Figur 1 eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßein

richtung mit einem ersten Maßstab im Teilschnitt,

Figur 2 eine Draufsicht des ersten Maßstabes,

Figur 3 eine Draufsicht eines zweiten Maßstabes,

Figur 4 eine Draufsicht eines dritten Maßstabes,

Figur 5 eine Draufsicht eines vierten Maßstabes,

Figur 6 die Längenmeßeinrichtung mit einem Abschluß

block und einem Verbindungselement,

Figur 7 ein Detail eines Abschlußblockes,

Figur 8 ein weiteres Detail eines Abschlußblockes

Figur 9 ein Verbindungselement in einer ersten Lage und

Figur 10 ein Verbindungselement in einer zweiten Lage.

Die Figur 1 zeigt eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung bestehend aus den beiden in Meßrichtung X relativ zueinander verschiebbaren Hauptkomponenten Gehäuse 1 und Mitnehmer 2. Das Gehäuse 1 ist an einem ersten Maschinenteil 3 und der Mitnehmer 2 an einem zweiten Maschinenteil 4 befestigt. Das Gehäuse 1 ist aus Metall, in der Regel aus Aluminium und somit elektrisch leitend. Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Maßstab 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 lichtundurchlässigen 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 elektrische Abtastsignale erzeugt werden, die in bekannter Weise einer Auswerteeinheit zur Bildung von zählbaren Rechtecksignalen zugeführt werden. Die Abtasteinrichtung 9 stützt sich über Kugellager 12 auf der die Teilung 7 tragenden 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 aufladen, wodurch ein Potentialunterschied dieser Oberfläche und anderen elektrisch leitenden Teilen der Längenmeßeinrichtung entsteht, der zu einer impulsartigen Entladung führen kann. Diese Entladungen werden den elektrischen 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 Markierungen 8 der inkrementalen Teilung 7 elektrisch miteinander verbindet. Diese elektrisch leitende Schicht 13 ist an einem Maßstabende über ein Verbindungselement 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.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Maßstabes 5 der Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1. Die Markierungen 8 sowie die verbindende Schicht 13 wurde in einem gemeinsamen Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche aufgebracht. 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-Abtastung möglich. Desweiteren kann die verbindende Schicht 13 auch ein aufgewalzter oder anderweitig mit der Maßstaboberfläche innig in Kontakt gebrachter Metallstreifen sein. Ist diese Schicht 13 oder der Streifen hart genug, können auch die Kugellager 12 darauf abrollen.

Die elektrische Verbindung zwischen dem Verbindungselement 14 und dem Bezugspotential 15 ist in den Figuren 1 bis 5 nur schematisch dargestellt.
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Bei allen Figuren 1 bis 10 werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Figur 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 Markierungen 8, die Referenzmarken 16 sowie die verbindende elektrisch leitende Schicht 13 herstellen.

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

Bei dem Beispiel nach Figur 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 werden. 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 Figuren 6 bis 10 ist im Detail dargestellt, wie das Verbindungselement 14 ausgestaltet werden kann. Die beiden Enden des Gehäuses 1 werden 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 Figur 6 dargestellt ist, durch Formschluß. Hierzu ist im Gehäuse 1 zumindest eine Aussparung 18 eingebracht, in die ein Vorsprung 21 des Abschlußblockes 20 formschlüssig eingreift. 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 Verbindungselement 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 Figur 6 ist das Verbindungselement 14 ein Blechteil, das am Abschlußblock 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 eigehakt. 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 Figuren 7 bis 10 ist im Detail dargestellt, wie ein Blechteil 14 besonders 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 Figur 10) wird ausgewählt, welche der Zungen 22.1 oder 22.2 der Schicht 13 zugeordnet ist.

Die anhand der Figuren 6 bis 10 beschriebenen Ausführungsbeispiele können bei den Maßstäben 5 gemäß den Figuren 1 bis 5 angewandt werden.

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

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Claims

1. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (5), welcher innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses (1) angeordnet ist und Markierungen (8) aufweist, welche von einer in Meßrichtung (X) relativ zum Gehäuse bewegbaren Abtasteinrichtung (9) lichtelektrisch abtastbar ist, und die stirnseitigen Enden des Gehäuses (1) jeweils durch einen 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 Abschlußblockes (20) an einem Maschinenteil (3) befestigt ist, daß weiterhin der Abschlußblock (20) aus elektrisch leitendem Material besteht und über das Maschinenteil (3) mit einem Bezugspotential (15) verbunden ist.

3. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 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 besteht, 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) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

8. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch 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) abstützt, und daß die Schicht (13) auf diesem Oberflächenbereich oder auf einem nahe daneben liegenden Oberflächenbereich des Maßstabes (5) aufgebracht ist.