DE4241111A1 - Fotoelektrischer Auflicht-Schrittgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Auflicht-Schrittge­ ber mit einer bandförmigen, flexiblen, unter elastischer Vorspan­ nung freitragend an einem Träger befestigten Maßverkörperung und einem längs einer Führung verfahrbaren Abtastkopf.

Schrittgeber sind translatorische Wegmeßsysteme, bei denen die Po­ sitionsinformation durch Abtastung einer inkrementalen Teilung auf einem Teilungsträger mittels eines Abtastkopfes gewonnen wird. Zum Messen größerer Längen werden bevorzugt elastische Metallbänder als Teilungsträger verwendet. Bei freitragenden, flexiblen Bändern sind zur Korrektur des Durchhanges relativ hohe Zugspannungen er­ forderlich. Darüber hinaus können Schwingungen des bandförmigen Teilungsträgers die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, da der Abtast­ kopf zum Erkennen der inkrementalen Teilungsintervalle einen kon­ stanten Abstand zur Maßverkörperung benötigt.

Der Teilungsträger ist im allgemeinen ortsfest auf einem Maschi­ nenbett eingespannt. Der Abtastkopf ist mit dem Maschinenteil ge­ koppelt, dessen Verfahrweg auf dem Maschinenbett gemessen werden soll. Die Führung dieses Maschinenteiles bestimmt daher den Ver­ fahrweg des Abtastkopfes und die Aufspannung des Teilungsträgers muß gegenüber diesem Verfahrweg justiert werden.

Ein solcher Schrittgeber ist aus der US-PS 3 816 002 bekannt. Der Abtastkopf weist dabei einen schmalen Spalt auf, durch den die Maßverkörperung ohne Berührung hindurchgeführt wird. Der Abtast­ kopf wird über Gleitelemente auf dem Maschinenbett geführt. Die Maßverkörperung ist auf der einen Seite in einer höhen- und sei­ tenverstellbaren Halterung fest eingespannt und auf der anderen Seite durch eine Feder unter Vorspannung gehalten. Die Federkraft ist so gewählt, daß thermisch bedingte Längenänderungen im Maschi­ nenbett und der Maßverkörperung sich nicht auf die Vorspannung der Maßverkörperung auswirken. Der für die Justierung der Schritt­ geberbauteile zueinander erforderliche Aufwand ist sehr hoch. Die Länge der bandförmigen Maßverkörperung ist begrenzt und erfordert einen gewissen Querschnitt, damit sie trotz der Vorspannung nicht durchhängt und frei durch den Spalt des Abtastkopfes geführt wer­ den kann.

Aus der EP-PS 0 105 119 ist ein Schrittgeber bekannt, bei dem ein langer bandförmiger Maßstabträger in einem rechteckigen Rohr ein­ gespannt ist. Die endseitigen Abschlußplatten des Rohres enthalten ebenfalls Einspann- und Justiervorrichtungen für den Maßstabträ­ ger. Auf der einen Seite wird dieser auch hier unter Federspannung gehalten. Die Rohrwandung enthält Führungen für den verschiebbaren Abtastkopf, der eine spaltförmige Öffnung enthält, durch die der Maßstabträger ohne Berührung hindurchläuft. Die Spannkräfte in Ab­ hängigkeit vom Elastizitätsmodul, der Querschnittsfläche und dem Dicke-Breite-Verhältnis des Maßstabträgers werden angegeben, um eine vernachlässigbare Durchhängung erzeugen zu können. Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung sind nicht vorgesehen.

Zur Schwingungsdämpfung und Einhaltung eines konstanten Abtastab­ standes bei einer langen, flexiblen Maßverkörperung wird in der DD-PS 2 45 482 vorgeschlagen, am Abtastkopf ein Distanzelement, das dem notwendigen Abtastabstand entspricht, und ein gegen das Di­ stanzelement federndes Gleitelement anzubringen. Die Maßverkörpe­ rung wird zwischen diesen beiden Elementen geführt, wobei die Fe­ derkraft am Gleitelement dafür sorgt, daß die Maßverkörperung ständig am Distanzelement anliegt. An die Befestigung der Maßver­ körperung werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Es braucht nur dafür gesorgt zu werden, daß sie ausreichend straff gespannt ist, um Längsschwingungen aufgrund der reibenden Führung am Abtastkopf zu vermeiden. Nachteilig sind jedoch die erhöhten Reibungskräfte durch den beidseitigen Andruck an der Maßverkörpe­ rung und insbesondere der Andruck auf der die inkrementale Teilung tragenden Seite der Maßverkörperung. Mechanische Beschädigungen der Teilung lassen sich auch durch eine geeignete Formgebung und Beschichtung des Distanzelementes nicht ausschließen.

Eine vergleichbare Anordnung wird noch in der WO 92/02 780 ange­ geben. Ein bandförmiger elastischer Teilungsträger, der unter ho­ her Vorspannkraft an einem Maschinenbett fest eingespannt ist, wird mit einer fremd geführten Abtasteinrichtung abgetastet. Diese enthält mindestens zwei Führungselemente, wobei sich bezüglich der Abtasteinrichtung mindestens ein Führungselement auf jeder Seite des Teilungsträgers befindet. Die Führungselemente weisen in Ab­ tastrichtung einen Abstand voneinander auf, welcher der Dicke des Teilungsträgers entspricht. In Richtung des Teilungsträgers sollen die Führungselemente jedoch einen Abstand voneinander aufweisen, der einem Mehrfachen der Dicke des Teilungsträgers entspricht. Die Anordnung der Führungselemente in der Abtasteinrichtung soll so gewählt werden, daß die Teilung auf dem Teilungsträger im optima­ len Abtastbereich geführt wird. Die Anlageflächen der beiden Füh­ rungselemente liegen in der Ebene der oberen bzw. unteren Seite des Teilungsträgers, wodurch die Reibungskräfte reduziert sind. Nur im Falle einer Relativverlagerung der Abtasteinrichtung in Ab­ tastrichtung wird der elastische Teilungsträger so ausgelenkt, daß die Teilung im optimalen Abtastbereich bleibt. Bei einer Relativ­ verlagerung nach oben hebt das untere Führungselement den Tei­ lungsträger an. Bei einer Relativverlagerung nach unten wird der Teilungsträger durch das obere Führungselement nach unten ge­ drückt. Auch hier sind Beschädigungen der Teilungsspur nicht zu vermeiden. Wegen des Abstandes der Führungselemente in Richtung des Teilungsträgers kann im Falle der Relativverlagerung nach un­ ten nicht ausgeschlossen werden, daß der Teilungsträger von dem unteren Führungselement abgehoben wird, wodurch der optimale Ab­ tastbereich verlassen wird.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, mit geringerem Kon­ struktions- und Justieraufwand eine sichere Einhaltung des optima­ len Abtastabstandes der Maßverkörperung zum Abtastkopf zu gewähr­ leisten.

Diese Aufgabe wird bei einem fotoelektrischen Auflicht-Schrittge­ ber der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an dem Abtastkopf mindestens ein Gleit- oder Wälzelement befestigt ist, das die Maßverkörperung nur an ihrer maßstabfreien Seite ab­ stützt, wobei die Gleit- oder Wälzebene über den gesamten Verfahr­ bereich des Abtastkopfes außerhalb der durch die Einspannung der Maßverkörperung gebildeten Ebene liegt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dabei der Träger für die Maßverkörperung als offenes Hohl-Profil ausgebildet, dessen Enden mit einstellbar starren Einspannvorrichtungen für die Maßverkörperung abgeschlossen sind und die Einspannung erfolgt so, daß die Maßverkörperung in der biegeneutralen Ebene des offenen Hohl-Profils liegt. Der Abtastkopf ist innerhalb des offenen Hohl- Profils verschiebbar und die elastische Vorspannung der Maßverkörperung ist dabei so gewählt, daß im Bereich aller im Betrieb vorkommenden thermisch bedingten Längenänderungen des offenen Hohl-Profils eine Vorspannung erhalten bleibt.

Die Einspannvorrichtungen können dabei um eine in der Ebene der Maßverkörperung liegende, senkrecht zur Längsausdehnung der Maßverkörperung stehende Achse schwenkbar gelagert sein und es können Justiermittel in der Bodenfläche des offenen Hohl-Profils vorgesehen sein, mit denen die Neigung der Einspannvorrichtung einstellbar ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schrittgebers schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren näher beschrieben, wobei auch die erreichten Vorteile besonders herausgestellt werden. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Schrittgeber-Anordnung im Längs­ schnitt und

Fig. 2 die Anordnung in der Aufsicht;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform mit schwenkbaren Einspannvorrichtungen im Längsschnitt und

Fig. 4 diese Anordnung in der Aufsicht.

Fig. 1 zeigt schematisch den Abtastkopf 10 eines fotoelektrischen Auflichtschrittgebers, der in einer Führung 11 längsverschieblich ist und mit einem nicht weiter dargestellten Meßobjekt gekoppelt ist. Der Abtastkopf 10 enthält an seinem unteren Ende ein Gleite­ lement 12, auf dem eine Maßverkörperung 13 aufliegt. Das Gleitele­ ment 12 ist als zylindrisch geformte Fläche dargestellt, die zur Reibungsverminderung z. B. mit Teflon beschichtet sein kann. Es ist jedoch auch möglich, an dieser Stelle ein oder mehrere Wälzlager­ rollen oder auch ein Luftlager vorzusehen. Die Auflagefläche er­ streckt sich über die gesamte Breite der Maßverkörperung 13.

Die Maßverkörperung 13 ist ein Metallband, das auf seiner Ober­ seite eine nicht dargestellte Maßstabteilung trägt. Das nur an der Unterseite angreifende Gleit- oder Wälzelement 12 beschädigt die Maßstabteilung also nicht. Durch Einspannvorrichtungen 14/15, die auch direkt mit dem ortsfesten Maschinenteil verbunden sein kön­ nen, wird die Maßverkörperung 13 unter einer eingestellten Vor­ spannung gehalten. Die Einspannung ist an beiden Enden starr fest­ gelegt.

Wird als Maßstabträger ein transparentes Band verwendet, dann kann die Maßstabteilung auch auf der Unterseite des Bandes angebracht sein. In diesem Fall wäre das Gleitelement auf der maßstabsfreien Oberseite des Bandes anzuordnen, wobei die Maßverkörperung nach unten aus ihrer Einspannebene herauszudrücken ist. Wegen des bei langen Maßverkörperungen unvermeidlichen Durchhanges ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung jedoch vorzuziehen.

Die Einspannvorrichtung 14 besteht aus einer Auflagelasche 16 und einem Klemmstück 17, die durch eine Schraube 18 zusammengepreßt werden und das eine Ende der Maßverkörperung 13 festhalten. Die Einspannvorrichtung 15 weist ebenfalls eine Auflagelasche 19 auf. Ein weiteres Klemmstück 20 wird über einen in die Auflagelasche 19 eingesetzten Zylinderstift 21 gegen Verschiebung gesichert. Die Maßverkörperung 13 ist an diesem Ende mit einem Winkelstück 22 fest verbunden. Eine stirnseitig in das Winkelstück 22 eingesetzte Schraube 23 drückt gegen das Klemmstück 20. Über die Schraube 23 kann daher die gewünschte Vorspannung der Maßverkörperung 13 eingestellt werden. Durch eine Schraube 24 wird das Klemmstück 20 danach gegen den Auflageflansch 19 gepreßt und hält damit die Maß­ verkörperung unter der eingestellten Vorspannung.

Die Auflageflansche 16, 19 bestimmen die Ebene, in der die Maßver­ körperung liegt. Durch auf die Auflageflansche 16, 19 wirkende Ju­ stierschrauben 25, 26 kann diese Ebene in Bezug auf die Führung 11 des Abtastkopfes 10 nachgestellt werden.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die durch den Scheitelpunkt des Gleitelementes 12 festgelegte Gleitebene oberhalb der Einspann­ ebene der Maßverkörperung 13 liegt. Da die Führung 11 und die Ein­ spannebene parallel zueinander ausgerichtet sind, wird dieser Zu­ stand über den gesamten Verfahrbereich des Abtastkopfes aufrecht­ erhalten, wobei die Abweichung der Gleitebene von der Einspann­ ebene vorzugsweise so groß gewählt wird, daß auch noch Toleranzen in der Parallelität zwischen Führung 11 und Einspannebene aufge­ fangen werden können. Die Aufrechterhaltung des optimalen Abtast­ abstandes ist damit auf einfache Weise sichergestellt. Das Auf­ legen der Maßverkörperung auf das Gleitelement kann ohne größeren Montageaufwand erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Gleitebene erhält die Maßverkörperung 13 eine zusätzliche Spannung, die dazu führt, daß die bei bandförmigen Maßverkörperungen trotz elastischer Vorspan­ nung üblicherweise vorhandene Querwölbung im Bereich der Auflage auf dem Gleitelement aufgehoben wird. Die Ablesegenauigkeit des Abtastkopfes wird damit erhöht.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß die Reibungs­ kräfte bei der unter erhöhter Spannung auf dem Gleitelement auf­ liegenden Maßverkörperung die Verfahrgeschwindigkeit des Abtast­ kopfes nicht behindern und ein Abheben der Maßverkörperung im Be­ reich der Maßstababtastung aufgrund von Längsschwingungen sicher unterdrückt werden kann.

Vorzugsweise werden die Einspannvorrichtungen 14, 15 in einem als offenes Hohl-Profil 27 ausgebildeten Träger angeordnet. Das offene Hohl-Profil 27 ist in Fig. 2 in der Aufsicht dargestellt. Die Stellschrauben 25, 26 sind ersichtlich in den Boden des offenen Hohl-Profils eingesetzt. Die Enden des offenen Hohl-Profils 27 werden von u-förmigen Flanschen 28, 29 umfaßt. Aus den Flanschen 28, 29 sind die Auflagelaschen 16, 19 ausgeschnitten und herausgebogen.

Insbesondere bei der Aufspannung von Maßverkörperungen von einigen Metern Länge ist dann jedoch zu beachten, daß durch Biegungen des offenes Hohl-Profils um seine Querachse keine Veränderungen in der Lage der Einspannebene auftreten. Dies läßt sich auf einfache Weise dadurch erreichen, daß die Auflagelaschen 16, 19 in die biegeneutrale Ebene des offenen Hohl-Profils gebogen werden. Es ist bekannt, daß bei einem langen, auf Biegung beanspruchten und nach unten durchgebogenen Träger die obere Materialebene eine Verkürzung, die untere dagegen eine Verlängerung erfährt. Dazwischen muß sich also eine Ebene befinden, die ihre ursprüngliche Länge beibehält. Diese Ebene wird im Maschinenbau als neutrale Faser bezeichnet und läßt sich nach bekannten Gesetzmäßigkeiten für jeden Querschnitt eines langgestreckten Trägers berechnen. Geringfügige Unebenheiten und mangelnde Fluchtung der Auflageflächen für die Befestigung des Trägers 27 am Maschinenbett 34 mittels Schrauben 35 führen nicht zu einer Verlagerung der Einspannebene der Maßverkörperung 13. Die Montage des Trägers am Maschinenbett und die Ausrichtung gegenüber dem Abtastkopf 10 werden daher wesentlich erleichtert.

Die Verbindung der Einspannvorrichtungen mit einem separaten Trä­ ger bringt zusätzliche Vorteile bezüglich der Berücksichtigung thermisch bedingter Längenänderungen der Maßverkörperung wie sich aus nachfolgenden Überlegungen ergibt.

Als Maßstab dienen Strichmarkierungen, die in gleichmäßigem Ab­ stand zueinander auf der Maßverkörperung aufgebracht sind. Der Ab­ stand der Strichmarkierung bei ungespannter Maßverkörperung und einer bestimmten Temperatur ist bekannt. Durch die Vorspannung er­ folgt eine elastische Dehnung des Maßstabträgers und damit eine Vergrößerung des Abstandes der Strichmarkierungen. Durch Vergleich der bei der Abtastung gewonnenen Signalfolge mit einem Normalmaß­ stab kann die Dehnung berücksichtigt werden.

Thermische Einflüsse auf ein die Einspannvorrichtung tragendes Ma­ schinenbett bewirken eine Veränderung des Abstandes zwischen den Einspannvorrichtungen und damit eine Erhöhung oder Verringerung der Vorspannung der Maßverkörperung. Die darauf zurückzuführenden Änderungen der Abstände der Strichmarkierungen können durch eine Temperaturmessung am Maschinenbett und bei Kenntnis des Ausdeh­ nungskoeffizienten zwar korrigiert werden, sind wegen unterschied­ licher Wärmeleitverhältnisse im Maschinenbett und Hysteresen, die auf wechselnde Geometrien in der Maschinenbettkonstruktion zurückzuführen sind, in der Praxis aber nur sehr unsicher berechenbar. Soweit die Maßverkörperung einseitig unter Federspannung gehalten wird, ist darüber hinaus noch eine Kenntnis des thermischen Verhaltens der Maßverkörperung selbst erforderlich.

Bei Anbringung der beidseitig festen Einspannvorrichtungen auf einem separaten Träger kann dessen Material in Abhängigkeit vom Material der Maschinenkonstruktion gewählt werden, so daß Ausdehnungen im Maschinenbett keine Verspannungen des Trägers bewirken. Wird darüber hinaus die Masse des Trägers ausreichend groß gewählt, so ergibt sich auch ein Zeitverhalten der thermischen Änderungen des Trägers, das dem des Maschinenbettes entspricht. Die Geometrie des Trägers als offenes Hohl-Profil erlaubt dann bei Bedarf eine einfache Berechnung des temperaturabhängigen Ausdehnungsverhaltens und eine rechnerische Korrektur der Längenmeßwerte.

Da die Maßverkörperung beidseitig starr eingespannt ist, können Temperaturänderungen im Material der Maßverkörperung nur die Wir­ kung haben,daß sich die Stärke der elastischen Vorspannung ändert. Wenn dafür gesorgt wird, daß eine Vorspannung im Bereich aller vorkommenden Betriebstemperaturen erhalten bleibt, dann sind evtl. Änderungen der Abstände der Strichmarkierungen allein durch das Ausdehnungsverhalten des Trägers bestimmt. Das davon unabhängige Ausdehnungsverhalten des Materials der Maßverkörperung kann sich nur auf die Breite und Dicke der Maßverkörperung auswirken, nicht jedoch auf ihre Länge.

In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Einspannvorrichtungen 14, 15 dargestellt. Der wesentliche Un­ terschied besteht darin, daß in die Enden des offenen Hohl-Profils 27 je ein um eine Achse 30, 31 drehbar gelagerter Bügel 32, 33 eingesetzt ist. Die Einspannung der Maßverkörperung 13 erfolgt in gleicher Weise wie zu den Fig. 1 und 2 beschrieben. Zum Spannen der Maßverkörperung 13 wird hier jedoch die Schraube 23 in das Klemmstück 20 eingedreht. Durch die drehbare Anbringung der Auflagelaschen 16, 19 sind diese über die Stellschrauben 25, 26 einfacher justierbar als die nur federnd abgebogenen Auflagelaschen nach den Fig. 1 und 2.

Claims (3)

1. Fotoelektrischer Auflicht-Schrittgeber mit einer bandförmigen, flexiblen, unter elastischer Vorspannung freitragend an einem Träger befestigten Maßverkörperung (13) und einem längs einer Führung (11) verfahrbaren Abtastkopf (10), dadurch gekennzeichnet, daß an dem Abtastkopf (10) mindestens ein Gleit- oder Wälzelement (12) befestigt ist, das die Maßverkörperung (13) nur an ihrer maßstabfreien Seite abstützt, wobei die Gleit- oder Wälzebene über den gesamten Verfahrbereich des Abtastkopfes (10) außerhalb der durch die Einspannung der Maßverkörperung (13) gebildeten Ebene liegt.

2. Schrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Träger für die Maßverkörperung (13) als offenes Hohl-Profil (27) ausgebildet ist, dessen Enden mit einstellbar starren Einspannvorrichtungen (4,15) für die Maßverkörperung (13) abgeschlossen sind und die Einspannung so erfolgt, daß die Maßverkörperung (13) in der biegeneutralen Ebene des offenen Hohl-Profils (27) liegt, daß der Abtastkopf (10) innerhalb des offenen Hohl-Profils (27) verschiebbar ist und die elastische Vorspannung der Maßverkörperung (13) dabei so gewählt wird, daß im Bereich aller im Betrieb vorkommenden thermisch bedingten Län­ genänderungen des offenes Hohl-Profils (27) eine Vorspannung erhalten bleibt.

3. Schrittgeber nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einspannvorrichtungen (14, 15) um eine in der Ebene der Maßverkörperung (13) liegende, senkrecht zur Längsausdehnung der Maßverkörperung (13) stehende Achse (30, 31) schwenkbar gelagert sind und Justiermittel (25, 26) in der Bodenfläche des offenen Hohl- Profils (27) vorgesehen sind, mit denen die Neigung der Einspannvorrichtungen (14, 15) einstellbar ist.