EP1334333A2 - Positionsmesssystem und verfahren zur montage dafür - Google Patents

Positionsmesssystem und verfahren zur montage dafür

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Publication number
EP1334333A2
EP1334333A2 EP01996719A EP01996719A EP1334333A2 EP 1334333 A2 EP1334333 A2 EP 1334333A2 EP 01996719 A EP01996719 A EP 01996719A EP 01996719 A EP01996719 A EP 01996719A EP 1334333 A2 EP1334333 A2 EP 1334333A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
scanning head
graduation carrier
measuring system
scanning
graduation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP01996719A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Joachim Freitag
Heinz-Günther Franz
Andreas Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Optolab Licensing GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Optolab Licensing GmbH filed Critical Optolab Licensing GmbH
Publication of EP1334333A2 publication Critical patent/EP1334333A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation

Definitions

  • the invention relates to a method for mounting a position measuring system on a first part and a second part movable relative thereto, the position measuring system comprising a measuring standard with a graduation carrier, which can be fastened to the first part, and a scanning head, which can be fastened to the second part , with the steps of fixing the scanning head to the measuring scale so that the scanning head and measuring scale are fixed in position relative to one another, fastening the measuring scale to the first part and the scanning head to the second part, and releasing the fixing between the scanning head and the measuring scale.
  • the invention also relates to a position measuring system for scanning a movement between a first part and a second part movably arranged relative to the latter, the position measuring system being a measuring standard which can be fastened to the first part and has a graduation carrier, a scanning head which can be fastened to the second part and scans a movement of the material measure relative to the scanning head, and has a fixation with which the material measure and scanning head can be fixed in position relative to one another in a predetermined position.
  • the measuring standard which moves relative to the scanning unit, is scanned by means of a scanning unit and the scanning information is converted into position information by means of an evaluation unit.
  • a wide variety of physical scanning principles are used. Preferred principles are photoelectric, magnetic, inductive or capacitive scans.
  • the basic principle of all the methods has in common that the scanning head is to be aligned in predetermined narrow positional and angular tolerances depending on the resolution and accuracy to be achieved over the entire measuring range
  • a preassembled angle measuring device without its own bearing is known from US Pat. No. 4,639,595.
  • the graduation carrier with its graduation is attached and adjusted as a material measure on a hub.
  • a clamping spring holds the scanning device together with the hub.
  • a fixed stop is provided on the hub, which the scanning device at Pre-assembly touches and the hub is fixed in the axial and radial directions.
  • the angle measuring device is pushed onto the drive shaft and the scanning device is attached to the mounting surface of the drive unit.
  • the clamping spring is then disengaged and the hub is moved in the axial direction on the drive shaft. This shift is necessary in order to cancel the contact of the hub stop with the scanning unit and to ensure a friction-free relative movement between the hub and the scanning device.
  • this angle measuring device there is a defined assignment between the stop surfaces of the hub and the scanning device in the radial and axial direction in the preassembled state, but this assignment must be canceled during assembly by the axial displacement of the hub so that no defined assignment thereafter can be achieved neither in the radial nor in the axial direction without further aids.
  • Another major deficiency of this arrangement is that the scanning device is only pre-aligned to a stop on the hub, but the actual functional assignment is required directly between the scanning unit and the scanning structures on the graduation carrier. In many applications it is not possible to use an additional hub or other intermediate parts to mount the measuring standard. These intermediate parts worsen the achievable adjustment accuracy due to a long tolerance chain and often lead to expensive solutions.
  • This solution also uses a complicated and expensive hub.
  • the disadvantage of this solution are the long mechanical tolerance chains, which on the one hand require expensive manufacturing processes, and on the other hand the achievable adjustment tolerance is very difficult to achieve, especially for high accuracy requirements.
  • the fitting tolerances between the inner hub diameter and the receiving shaft must be chosen very closely in order to achieve small eccentricity errors in the division on the indexing disk, which, however, complicates the assembly process when threading the adjusted unit.
  • the mounting surface of the stator must also be closely tolerated in its position in relation to the drive shaft, so that when the stator is attached no stresses are generated between the stator and the graduated disk, which leads to radial and axial displacements between the stator and the division when the mounting device is released. From DE 37 40 477 A1 a method is known in which the scanning head is attached to a hub of an angle measuring disc. A target angle between the scanning head and the angle measuring disc can be set accordingly.
  • the object of the invention is to further develop a method and an arrangement for mounting a scanning head to a material measure - preferably for rotary and linear measuring systems - of the type mentioned at the outset in such a way that they are inexpensive to manufacture and simple and quick to assemble in encoder systems or system integrations.
  • Gap-filling is understood to mean any fastening of a component that can bridge a gap that may exist between the contact surfaces of this and another component in such a way that the components are fixed in their position relative to one another. A complete filling of the gap is not necessary for this.
  • the invention therefore strives for the ideal position of the scanning head for the material measure for the operation of the position measuring system, because only in this can the highest possible accuracy of the measurement results be achieved.
  • This ideal position is adjusted, and then the scanning head and measuring standard are locked together to fix the position. Then either the scanning head or the measuring standard is attached to the respective part in a conventional manner.
  • considerable effort is made to ensure that the components can be fastened without the occurrence of tolerances. Deviations between the target and the actual position of the components relative to the respective part must be avoided in the prior art. If this is not possible, a more or less large gap is created between the contact surfaces of the component and the respective part to which it is to be attached.
  • the gap inevitably leads to a misalignment of the ideal position.
  • the invention now goes a completely different way in that the gap mentioned is no longer avoided. Instead, it provides an attachment that fixes the component to be attached to the respective part and thereby bridges the gap, which can now even be deliberately provided. Thus, after loosening the position between the scanning head and the measuring standard, the ideal position is retained.
  • the precise assignment of these two components to each other is very important.
  • the inventive fastening ensures that the scanning head has a pre-adjusted position relative to the material measure even after fastening to the second part. It is particularly expedient to adjust the position of the scanning head relative to the measuring standard in a separate process before the scanning head is fixed in position on the measuring standard, since a particularly exact alignment of the components is then ensured.
  • the measuring standard is attached to the first part in a precisely determined position. It is therefore advantageous if the position of the material measure to the first part is adjusted immediately before the material measure is fixed to the first part, so that the material measure can be specifically adjusted to the present first part during assembly of the position measuring system. This results in great flexibility for the application because largely independent of tolerances or execution of the first part is achieved when mounting the measuring standard.
  • the adjusted position of the measuring standard in relation to the scanning head should also be maintained during further assembly steps. Adjustments are possible if mechanical stresses occur when the readhead is attached to the second part. These are passed on to the measuring standard via the scanning head, from there to the first part and from there to the second part. Tensions are thus also present in the fixation between the scanning head and the material measure, so that when the fixation is released, the adjusted ideal position of the two components would be lost to one another.
  • the scanning head or the measuring standard is attached to the respective part in such a way that none Tensions occur that continue in the positional fixation between the measuring standard and the scanning head and could cause a relative displacement of the two components relative to one another when the fixation is released.
  • Such a fastening is characterized in that it allows the component to be fastened in the position predetermined by the previous assembly process.
  • a two-stage gluing can also be provided.
  • a quick fixing glue is carried out at specially provided gluing points and then the actual strength gluing is carried out, for example, by means of a slowly hardening two-component glue.
  • the fixing adhesive already provides sufficient mechanical stability, further assembly steps can then be continued. This ensures a shorter assembly time.
  • the scanning head can also be provided by welding, soldering or screwing on with the interposition of mutually displaceable clamping wedges. These mounting options make it possible to bridge any gaps between the contact surfaces of the scanning head and the second part. By welding or soldering it is also possible to fill the gap.
  • Achieving a high level of accuracy in the adjustment requires easy handling of the components to be aligned with one another.
  • the handling of the scanning head and material measure for and during the adjustment can be simplified in that the scanning head is initially only roughly pre-adjusted and attached to the graduation carrier with play. Only then does the fine adjustment between the scanning head and the material measure take place, after which the scanning head is finally clamped onto the graduation carrier.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a position measuring device of the type mentioned at the outset, in which the scanning head is detachably fixed in position on the graduation carrier.
  • the fixation of the scanning head is provided directly on the graduation carrier.
  • “Direct” means any arrangement that attaches the scanning head to the graduation carrier and not to intermediate parts, which in turn support the graduation carrier. This ensures in an astonishingly simple manner that the predetermined position is retained as precisely as possible small number of components simpler handling during assembly.
  • a parameter that must be considered when producing the predetermined position is the distance between the scanning head and the material measure. It can be adjusted by hand, but tools for this are desirable. It is therefore advantageous if the scanning head is fixed directly to the graduation carrier with the interposition of a spacer.
  • a spacer can be provided in the fastening means of the scanning head on the graduation carrier, in which it is designed such that it can only be brought into a specific fixing position. For example, this can be achieved in the case of screw fastening by means of a stop, up to which the fastening screw of the scanning head on the graduation carrier can be screwed in and thus defines the distance.
  • the spacer can also consist of an additional component which is mounted directly between the scanning head and the graduation carrier and which defines the desired distance by one of its dimensions, preferably by its thickness. At the same time, it can prevent unwanted pitch and yaw angles between the scanning head and the graduation carrier.
  • Such spacers offer plate-shaped or foil-shaped components on which additional adjustment aids for setting the angular positions of the Graduation structures can be applied to the scanning head and the coverage of the graduation tracks by the scanning head.
  • the scanning head can be attached to the graduation carrier by means of any detachable connection.
  • This is advantageously designed so that the scanning head is fixed to the graduation carrier by force and / or positive engagement.
  • preference is given to using devices which require little technical effort and do not restrict the function and use, above all, of the division carrier. It is therefore advantageous to clamp the scanning head on the graduation carrier. Because there is no need for devices on the graduation carrier that could impair its function.
  • the fixation should preferably be designed such that it has an adjustment position in which the predetermined position of the scanning head relative to the graduation carrier can be adjusted, and a fixation position in which the position is fixed.
  • the spacer should be designed so that it is also suitable for adjusting the angular positions of the graduation structures relative to the scanning head. For this he must be brought into an immovable position, which can be done by a fastening designed for it. However, because it is usually removed after the adjustment, it should be attached with as little effort as possible. This can be done by screwing or ideally by clamping between the scanning head and the graduation carrier. However, it can happen that the spacer is moved unintentionally from the intended position. It is therefore advantageous if the spacer is secured against twisting and / or shifting. For example, stops that prevent a change in the position of the spacer, or pins or pins engaging in recesses or openings on the spacer, can be used as security.
  • the predetermined position aids are required by which this position is defined.
  • Such can consist of templates or teachings.
  • the scanning head bears corresponding structures. Therefore, an advantageous further development of the Invention before that the scanning head has counter marks to the adjustment structures of the material measure. In this way, a higher accuracy of the adjustment can be achieved
  • any material that is resistant to the usual stresses of a measuring device is suitable for producing the graduation carrier. It should also allow adjustment structures on the graduation carrier. Depending on the installation position of the graduation carrier, these are often required on a side of the graduation carrier facing away from a fitter, so that the production of the predetermined position is at least difficult.
  • a preferred embodiment of the invention therefore provides that the graduation carrier is at least partially, namely at least in the area of the adjustment structures, transparent. This makes it possible to read the adjustment structures from both sides and regardless of the installation position of the graduation carrier.
  • the material measure must be designed so that it can be attached and adjusted to the first part. To do this, it must be adaptable to different dimensions of the first part.
  • a number of material measures can be provided, which differ in an essential dimension that corresponds to that of the first part - for example the diameter for the hub and axle.
  • An advantageous embodiment of the invention consists in the fact that the material measure comprises a graduation carrier and a hub, the graduation carrier being disc-shaped and having a centrally arranged recess, the smallest dimension of which is larger than the diameter of the hub, and the graduation carrier on the hub is attached.
  • the material measure is now attached by first attaching a hub which is matched to the dimensions of the first part to the first part.
  • the graduation carrier which can be designed largely independently of the dimensions or the design of the first part, is then attached to the hub via a flange, adjustment being possible through the play between the hub and the recess. This greatly simplifies the production of the material measure, because the production of the graduation carrier, which is complex and expensive because of the graduation structures, can take place independently of the dimensions and shape of the first part.
  • the adaptation to the first part takes place via the relatively easy to produce hub.
  • the scanning head with its scanning structures is aligned in all required coordinates with the graduation structures on the graduation carrier and, in this state, is easily detachably fastened to the graduation carrier with special fixing elements. Then the graduation carrier with the attached scanning head is first adjusted and fastened to the intended machine part in its intended measuring position and then the scanning head is fastened in this position without tension to the second machine part and only then are the fixing elements between the scanning head and the graduation carrier removed or released ,
  • the method according to the invention ensures, with astonishingly simple means, that after adjusting the scanning head to the graduation structures and fixing it to the graduation carrier, a very simple and quick assembly of these measuring system components can be realized fairly.
  • a favorable division of labor between the very pre-assembly specific to the measuring system and a very simple application-specific assembly of these components is achieved. This is particularly advantageous since the measuring system-specific pre-assembly can be carried out with special devices and also highly automated, regardless of the end use.
  • This method is particularly advantageous for optical position measuring systems, especially for length or angle measurement.
  • a more or less narrowly tolerated adjustment of the scanning structure which is generally arranged on a scanning plate, is important.
  • the distance, the angular positions and the coverage of individual graduation tracks are important adjustment parameters.
  • the optical and ultimately also the electrical signal qualities are considerably impaired by the deviations of the distance and angular positions from the target values.
  • the distance and the angular positions between the scanning structure and the graduation structure are set by means of special spacers.
  • An advantageous solution of the spacers for setting the target distance between the scanning structure and the graduation structure can be achieved by using a spacing film with the thickness of the predefined target distance that is placed between the graduation carrier and the scanning plate.
  • a spacing film with the thickness of the predefined target distance that is placed between the graduation carrier and the scanning plate.
  • an optically transparent film as a spacer film, through which the overlap and the rotation of the scanning structure to the graduation structure can be viewed and thus also adjusted. Since the use of transparent foils in the optical beam path falsifies the optical path between the scanning structure and the dividing structure, it is particularly advantageous, particularly in the case of small dividing periods of the dividing structure, if the spacer film has a cutout in the region of the optical beam path.
  • the distance and parallelism between graduation carrier and scanning plate can also be set by specially shaped spacers which only touch the graduation carrier and / or the scanning plate in areas outside of the sensitive structures.
  • the scanning head is fixed in position relative to the graduation carrier.
  • This position fixation is advantageously carried out by clamping elements which press the scanning head with its scanning plate over the spacer in its optimal functional position against the graduation carrier.
  • the force application of the clamping elements for pressing the scanning head should advantageously be on the back of the graduation carrier, that is to say on the the side opposite the divisional structures.
  • the clamping at the contact point between the clamping elements and the graduation carrier is designed such that a material pairing with a high coefficient of static friction arises.
  • the contact points between the spacer and the graduation carrier and the spacer and the scanning plate should be designed in such a way that they have a coefficient of friction that is as small as possible, in order to enable later easy removal.
  • An advantageous embodiment of the clamping elements consists in the fact that during the clamping only force components arise perpendicular to the graduation carrier and any transverse forces and rotational moments that may occur are avoided. This can be achieved through specially designed pressure elements, which are arranged in a rotationally secured manner with respect to the scanning head and have special parallel or quasi-parallel guiding mechanisms.
  • the generation of the clamping force can be realized by known means such as screw, eccentric or wedge mechanisms.
  • the clamping elements can be designed as an integral part of the scanning head or as removable and reusable components.
  • An advantageous embodiment of the invention also consists in the fact that the clamping elements are mechanically integrated directly into the scanning head in such a way that pressure elements are advantageously provided in the form of screws via a U-shaped design of the scanning head relative to the scanning plate.
  • the scanning head is then fixed in such a way that after the adjustment of the scanning structure to the graduation structure by the pressure screws advantageously via an intermediate element, which receives the torque and transverse force components of the pressure screws, the scanning head via the spacer on the side of the graduation structure and the Intermediate element on the back of the graduation carrier is clamped securely.
  • the graduation carrier in an advantageous manner has to be adjusted in its required functional position on the first relatively movable part.
  • the scanning head remains in its fixed position to the graduation carrier. This adjustment is carried out according to known method steps, for example via centering marks or self-centering devices on the graduation carrier.
  • the graduation carrier is then attached to this part. Since the scanning head is still in an ideal functional position relative to the graduation carrier, it can then be attached to the second part in this still rigid position relative to the graduation carrier.
  • this attachment can be carried out by means of thin gap adhesive bonding.
  • This air gap is then preferably filled using known low-shrink adhesive and the scanning head is attached to the second part.
  • advantageous configurations such as surface roughening, glue capillaries, glue pockets and other measures are conceivable in the special design of the gluing surfaces.
  • the fixation between the scanning head and the graduation carrier must be released in accordance with the method according to the invention. Depending on the selected design of the spacer and the fixing elements, these are then to be removed or brought into a position which does not impair the function of the measuring system.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of the pre-adjustment of the components for an optical angle measuring device
  • FIG. 2 is a top view of a pre-adjusted angle measuring device
  • 4 - 6 show the principle of the assembly steps for the assembly of the pre-adjusted angle measuring device in an electric motor
  • FIG. 7 shows a scale and a scanning head of a magnetoresistive linear measuring system
  • FIG. 1 (in principle) an optical measuring device provided for the pre-adjusted assembly is shown insofar as it is necessary for the representation of the method.
  • This optical angle measuring device consists of a graduated disk 1 as a material measure and a scanning head 2, which scans the graduation structures 3 on the transparent graduated disk 2 in a known manner using the transmitted light method.
  • the division structures 3 are designed as grid divisions.
  • the scanning head 2 has an illumination unit 5 and a scanning plate 6 with scanning structures 7 which correspond in a known manner to the graduation structures 3 to be scanned.
  • the optical scanning signals obtained are converted in a customary and therefore not shown manner via photodiodes and further electrical components into electrical signals which are fed to a control unit or a counter via electrical lines.
  • the scanning head 2, in particular the scanning plate 6 with the scanning structures 7, must be aligned very precisely with the graduation structures 3.
  • the scanning structures 7 must be aligned both in the radial direction and in their alignment with the graduation structures 3.
  • the indexing disk 1 is advantageously fixed in a special mounting device 8. It is particularly advantageous that the fixing of the indexing disk 1 takes place in such a way that the graduation structures 3 are centered on a receiving axis 9.
  • This receiving axis 9 serves as a radial reference point 10 (coordinate zero point).
  • the alignment of the scanning structures 7 to the graduation structures 3 then takes place via special alignment marks 11 and 11 'on the scanning plate, which are brought into overlap with a special alignment circle 12 on the graduated disk (cf. FIG. 2).
  • This coverage can usually be viewed with a telecentric microscope (not shown).
  • a manipulator not shown
  • This is advantageously carried out using a manipulator (not shown) with a plurality of degrees of freedom 4. This is part of the assembly device 8.
  • the distance between the scanning structures 7 and the division structures 3 is also of great importance for the optical signal formation. According to known laws, there are optimal distances for the different grid structures. Furthermore, the plane of the scanning structures 7 should be arranged parallel to the plane of the graduation structures 3. This adjustment is carried out in an advantageous manner by means of a spacer 13, which is designed as a film, which corresponds in its thickness to the optimal distance. The film is placed between the graduated disk 1 on the side of the graduation structures 3 and the scanning structures 7 of the scanning plate 6 and brought to bear on both sides. For this purpose, the scanning plate 6 should advantageously be produced somewhat from the scanning head 2. protrude. Due to the plane-parallel spacer 13 with the desired spacing thickness, both the optimal distance of the optical structures (axial adjustment) and the parallelism of the indexing disk 1 to the scanning plate 6 are thus possible in a simple manner.
  • clamping elements 14 are designed as pressure screws.
  • an intermediate plate 15 which is as securely secured as possible is advantageous.
  • the intermediate plate 15 is secured against rotation by a special locking device 16 for the mounting device 8.
  • the intermediate plate 15 is coated on the contact side with the indexing disk 1 with a thin, elastic, slip-inhibiting layer 17 (cf. FIG. 3).
  • the pre-adjusted measuring system unit is removed from the mounting device 8 and is available for an advantageous measuring system assembly for the most varied of applications.
  • FIGS. 4 to 6 show the method steps according to the invention for the assembly of a pre-adjusted angle measuring device on an electric motor 21.
  • this angle measuring device - also referred to as a rotary encoder - the rotary movements of the drive shaft 22 are to be measured.
  • the indexing disk 1 is centered and fastened.
  • the indexing disk 1 with the scanning head 2 fixed thereon is first placed on the contact flange 23 of the drive shaft 22 and centered.
  • there are several adjusting circles 24 concentric to the indexing structures on the indexing disk which have a thickness of 10 ⁇ m and a distance of 10 ⁇ m each (see FIG. 2).
  • the contact flange 23 has a nominal diameter of 16 mm, and the concentric adjustment circles 24 cover the diameter range from 15.900 mm to 16.100 mm.
  • This arrangement allows the outer diameter of the contact flange 23 to be aligned with one of the adjusting circles 24 in a very simple manner by means of symmetry adjustment without the part disk 1 having to be rotated for this purpose. Since the adjusting circles 24 are arranged on the graduated disk 1 concentrically with the graduation structures 3, the graduated disk 1 is thus centered in a simple manner.
  • the fixed scanning head 2 is positioned above its installation position, if necessary, by simply rotating the motor drive shaft.
  • the location of the contact flange 23 in The axial direction is dimensioned such that an air gap 26 of 0.2 +/- 0.1 mm is formed between the underside of the scanning head 2, which was specially designed as an adhesive surface.
  • Fig. 5 shows the attachment of the scanning head to the stator of the motor.
  • the air gap 26 is filled with a fiberglass-filled epoxy resin adhesive according to known adhesive technologies. This adhesive was dimensioned so that it hardens with little shrinkage and stress-free.
  • the adhesive surface on the scanning head 2 was provided with special adhesive pockets (not shown here) and the surface was made rough.
  • the gluing can also be carried out in two steps.
  • a quick fixing glue is carried out at specially designated gluing points and then the actual strength gluing is carried out using a slowly hardening two-component glue.
  • the fixing adhesive provides sufficient mechanical stability, the fixing of the scanning head 2 to the graduated disk 1 can then be released.
  • the fixing screws 14 are first removed and then the intermediate plate 15 and the spacer 13.
  • Fig. 6 shows the fully assembled angle measuring device on the electric motor. After the electrical connections to the electrical evaluation unit (not shown here) have been established, the optical rotary encoder is functional without further electrical or mechanical adjustments having to be carried out.
  • FIG. 7 to 9 show a further exemplary embodiment of the method steps according to the invention for linear encoders.
  • the assembly technology for magnetoresistive position measurement using a pre-adjusted readhead is shown here.
  • the scanning head 29 has a special receiver chip 30.
  • the receiver chip 30 contains receiver structures 31 which correspond to the magnetic graduation structures 32 on the magnetic scale 33.
  • the receiver chip 30 is provided with a thin parallel cover 34 in the form of a potting.
  • the receiver chip 30 with the encapsulation 34 together correspond to the scanning plate 6 in FIG. 1.
  • the receiver chip 30, which is bonded to a wiring carrier 35, is arranged in the scanning head housing such that its scanning structures are 100 ⁇ m below the housing edges 36 lies.
  • the encapsulation 34 is flush with the housing edges and thus the lower housing edge edges 36 also end with the scanning plate 6.
  • the magnetic scale 33 consists of a glass fiber-filled polyamide, on which the magnetic graduation structures are printed as a raster graduation with a graduation period of 1 mm. For this division period, there is an optimal distance between the grid division and the scanning structure. doors of 500 ⁇ m. This results in an optimal working distance between the scanning head and the scale of 400 ⁇ m.
  • this working distance is set by a special spacer 37.
  • the scanning head 29 is geometrically aligned for the division of the paste.
  • the scanning head is aligned in such a way that a maximum output signal results at an electrical evaluation circuit (not shown).
  • the scanning head 29 is fixed by means of an auxiliary angle 38.
  • the scanning head 29 is set at a distance from the magnetic scale 33 by means of the spacer 37 and this is positioned in its optimal position by the manipulator held.
  • An auxiliary bracket 38 is screwed onto the scanning head via a spacer 39 by means of the screws 40 such that the second leg of the auxiliary bracket 38 rests on the magnetic scale 33. This is then glued to the magnetic scale 33 in this position using a commercially available thin gap adhesive 41. After the bond is firm, the magnetic scale 33 with the fixed scanning head 29 can be removed from the adjustment device. This pre-adjusted measuring system is then available for effective application assembly. This then takes place in such a way that the magnetic scale 33 is aligned in its longitudinal extent with respect to the machine process and is glued to the machine bed.
  • FIG. 11 shows a positioning unit consisting of a basic bed 41 and a positioning table 42 which can be moved on the guide.
  • the pre-adjusted measuring system as shown in Fig. 12, is aligned on the base bed 41 in the longitudinal extent of the scale 33 to the end of the positioning table 42 and fastened by means of an elastic adhesive.
  • the scanning head 29 is attached to the positioning table 42 by means of a thick gap adhesive 43.
  • the scanning head 29 can be released from the auxiliary bracket 38.
  • the fixation of the scanning head 29 to the scale 33 is released via the auxiliary angle 38 and the spacer 39 is removed.
  • Fig. 13 shows the fully assembled measuring device.
  • Adhesive pockets fixed position head for division (ref. point. 0 point); special spacers; • special designs of pressure holders;
  • Alignment marks on a scanning plate Alignment marks on a scanning plate; an adjustment of the scanning head to the division structure by means of measurement using a manipulator in all coordinates with offset R1 and A1 outside, then inserting the spacer, moving with the manipulator R1 and A1 and then fixing the scanning head.

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Abstract

Ein Positionsmesssystem zum Abtasten einer Bewegung zwischen einem ersten Teil und einem gegenüber diesem beweglich angeordneten zweiten Teil, mit einer Massverkörperung, die am ersten Teil befestigbar ist und einen Teilungsträger aufweist, und einem Abtastkopf, der am zweiten Teil befestigbar ist und eine Bewegung der Massverkörperung gegenüber dem Abtastkopf abtastet, weist eine Fixierung auf, mit der Massverkörperung und Abtastkopf in einer vorbestimmten Position zueinander lagefixierbar sind, indem der Abtastkopf lösbar am Teilungsträger lagefixiert ist. Zur Montage eines Positionsmesssystems der erwähnten Art an einem ersten Teil und einem gegenüber diesem beweglichen zweiten Teil wird der Abtastkopf an der Massverkörperung befestigt, so dass Abtastkopf und Massverkörperung zueinander lagefixiert sind. Dannwerden die Massverkörperung am ersten Teil und der Abtastkopf am zweiten Teil angebracht, wobei der Abtastkopf oder die Massverkörperung in der durch die Lagefixierung vorgegebenen Stellung am jeweiligen Teil spaltfüllend befestigt wird. Anschliessend wird die Fixierung zwischen Abtastkopf und Massverkörperung gelöst.

Description

Positionsmeßsystem und Verfahren zur Montage dafür
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Montage eines Positionsmeßsystems an einem ersten Teil und einem gegenüber diesem beweglichen zweiten Teil, wobei das Positionsmeßsystem eine Maßverkörperung mit einem Teilungsträger, die am ersten Teil befestigbar ist, und einen Abtastkopf umfaßt, der am zweiten Teil befestigbar ist, mit den Schritten Fixieren des Abtastkopfes an der Maßverkörperung, so daß Abtastkopf und Maßverkörperung zueinander lagefixiert sind, Befestigen der Maßverkörperung am ersten Teil und des Abtastkopfes am zweiten Teil, und Lösen der Fixierung zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Positionsmeßsystem zum Abtasten einer Bewegung zwischen einem ersten Teil und einem gegenüber diesem beweglich angeordneten zweiten Teil, wobei das Positionsmeßsystem eine Maßverkörperung, die am ersten Teil befestigbar ist und einen Teilungsträger aufweist, einen Abtastkopf, der am zweiten Teil befestigbar ist und eine Bewegung der Maßverkörperung gegenüber dem Abtastkopf abtastet, und eine Fixierung aufweist, mit der Maßverkörperung und Abtastkopf in einer vorbestimmten Position zueinander lagefixierbar sind.
Derartige Vorrichtungen werden zur Messung der Drehlage oder der Linearverschiebung zweier relativ beweglicher Objekte benötigt. Mittels einer Abtasteinheit wird die Maßverkörperung, die sich relativ zur Abtasteinheit bewegt, abgetastet und mittels einer Auswerteeinheit werden die Abtastinformationen in Positionsinformationen umgeformt. Dabei werden die unterschiedlichsten physikalischen Abtastprinzipien angewandt. Bevorzugte Prinzipien sind photoelektrische, magnetische, induktive oder kapazitive Abtastungen. Allen Verfahren ist jedoch im Grundprinzip gemeinsam, daß der Abtastkopf in Abhängigkeit der zu erreichenden Auflösung und Genauigkeit über den gesamten Meßbereich in vorgegebenen engen Lage- und Winkeltoleranzen auszurichten ist
Aus der US-PS 4.639.595 ist eine vormontierte Winkelmeßeinrichtung ohne eigene Lagerung be- kannt. Der Teilungsträger mit seiner Teilung ist als Maßverkörperung an einer Nabe befestigt und justiert. Im vormontierten Zustand bewirkt eine Klemmfeder den Zusammenhalt der Abtasteinrichtung mit der Nabe. An der Nabe ist ein fester Anschlag vorgesehen, der die Abtasteinrichtung bei der Vormontage berührt und die Nabe in axialer und radialer Richtung fixiert. In diesem Zustand wird die Winkelmeßeinrichtung auf die Antriebswelle geschoben und die Abtasteinrichtung an der Anbaufläche der Antriebseinheit befestigt. Danach wird die Klemmfeder außer Eingriff gebracht und die Nabe in axialer Richtung auf der Antriebswelle verschoben. Diese Verschiebung ist notwendig, um die Be- rührung des Anschlages der Nabe mit der Abtasteinheit aufzuheben und eine reibungsfreie Relativbewegung zwischen Nabe und Abtasteinrichtung zu gewährleisten.
Bei dieser Winkelmeßeinrichtung ist zwar im vormontierten Zustand eine definierte Zuordnung zwischen den Anschlagflächen der Nabe und der Abtasteinrichtung in radialer und axialer Richtung ge- geben, aber diese Zuordnung muß während der Montage durch die axiale Verschiebung der Nabe aufgehoben werden, so daß danach keine definierte Zuordnung weder in radialer noch in axialer Richtung ohne weitere Hilfsmittel erzielt werden kann. Ein weiterer großer Mangel dieser Anordnung besteht darin, daß die Abtasteinrichtung nur zu einem Anschlag an der Nabe vorausgerichtet wird, aber die eigentliche funktionale Zuordnung ist direkt zwischen der Abtasteinheit und den Abtaststruk- turen auf dem Teilungsträger erforderlich. In vielen Anwendungen ist die Verwendung einer zusätzlichen Nabe oder anderer Zwischenteile für die Montage der Maßverkörperung nicht möglich. Diese Zwischenteile verschlechtern die erreichbaren Justiergenauigkeiten durch eine lange Toleranzkette und führen oft auch zu teuren Lösungen.
Eine andere Lösung zur Montage von vorjustierter Teilscheibe zur Abtasteinrichtung ist in der Offen- legungsschrift DE 43 04 914 A1 beschrieben. Mit Hilfe einer Montagevorrichtung werden die axiale und radiale Lagezuordnung von Abtasteinrichtung und Teilscheibe über eine Nabe mit speziell tolerierter Nut und korrespondierenden Aufnahmeöffnungen im Stator erreicht. Zur Übertragung dieser Lagezuordnung wird diese justierte Einheit auf die Antriebswelle aufgefädelt und der Stator dann bei- spielsweise am Flansch eines Motors befestigt und danach die Nabe mit der Teilscheibe an der Antriebswelle befestigt.
Auch diese Lösung bedient sich einer komplizierten und teuren Nabe. Nachteilig bei dieser Lösung sind die langen mechanischen Toleranzketten, die einerseits teure Fertigungsprozesse erfordern, und andererseits ist die erreichbare Justiertoleranz vor allem für hohe Genauigkeitsansprüche nur sehr schwer zu erreichen. Beispielsweise sind die Passungstoleranzen zwischen dem Nabeninnendurchmesser und der Aufnahmewelle sehr eng zu wählen, um kleine Exzentrizitätsfehler der Teilung auf der Teilscheibe zu erreichen, was jedoch den Montageprozeß beim Auffädeln der justierten Einheit erschwert. Auch ist die Befestigungsfläche des Stators in seiner Lage zur Antriebswelle eng zu tolerie- ren, um beim Befestigen des Stators keine Spannungen zwischen dem Stator und der Teilscheibe zu erzeugen, die beim Lösen der Montagevorrichtung zu radialen und axialen Verschiebungen zwischen Stator und Teilung führt. Aus der DE 37 40 477 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Abtastkopf an einer Nabe einer Winkelmeßscheibe befestigt ist. Ein Sollwinkel zwischen Abtastkopf und Winkelmeßscheibe kann entsprechend eingestellt werden.
! Diese angeführten Lösungen beziehen sich vor allem auf das Anwendungsgebiet der Einbaudrehgeber.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Montage eines Abtastkopfes zu einer Maßverkörperung - bevorzugt für Rotations- und Linearmeßsy- steme - der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, daß eine kostengünstige Herstellung und deren einfache und schnelle Montage in Encodersystemen oder bei Systemintegrationen möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Maßverkörperung oder der Abtastkopf in einer durch die Lagefixierung vorgegebenen Stellung am ersten Teil spaltfüllend befestigt wird. Unter „spaltfüllend" wird dabei jede Befestigung eines Bauteils verstanden, die einen gegebenenfalls vorhandenen Spalt zwischen den Berührflächen dieses und eines weiteren Bauteils so überbrücken kann, daß die Bauteile in ihrer Lage zueinander fixiert sind. Ein vollständiges Ausfüllen des Spaltes ist dazu nicht erforderlich.
Die Erfindung strebt also die für den Betrieb des Positionsmeßsystems ideale Lage des Abtastkopfes zur Maßverkörperung an, weil nur in dieser eine möglichst hohe Genauigkeit der Meßergebnisse erzielt werden kann. Diese Ideallage wird einjustiert, und dann werden Abtastkopf und Maßverkörperung miteinander lagefixierend verblockt. Anschließend wird entweder der Abtastkopf oder die Maßverkörperung an dem jeweiligen Teil in herkömmlicher Weise befestigt. Im Stand der Technik wird erheblicher Aufwand betrieben, um sicherzustellen, daß die Befestigung der Bauteile ohne Auftreten von Toleranzen erfolgen kann. Abweichungen zwischen der Soll- und der Istlage der Bauteile gegenüber dem jeweiligen Teil müssen im Stand der Technik vermieden werden. Falls dies nicht möglich ist, entsteht ein mehr oder weniger großer Spalt zwischen den Anlageflächen des Bauteils und des jeweiligen Teils, an dem es befestigt werden soll. Der Spalt führt im Stand der Technik unvermeidlich zu einer Dejustierung der Ideallage. Die Erfindung geht nun einen gänzlich anderen Weg, indem der erwähnte Spalt nicht mehr aufwendig vermieden wird. Stattdessen sieht sie eine Befestigung vor, die das zu befestigende Bauteil an dem jeweiligen Teil fixiert und dabei den Spalt, den nun sogar bewußt vorgesehen werden kann, überbrückt. Somit bleibt nach Lösen der Lagefixierung zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung die Ideallage erhalten.
Für ein funktionsgerechtes Zusammenwirken von Abtastkopf und Maßverkörperung ist die lagegenaue Zuordnung dieser beiden Bauteile zueinander von großer Bedeutung. Durch die erfinderische Befestigung ist gewährleistet, daß der Abtastkopf eine gegenüber der Maßverkörperung vorjustierte Lage auch nach der Befestigung am zweiten Teil innehat. Besonders zweckmäßig ist es dabei, die Lage des Abtastkopfes zur Maßverkörperung in einem separaten Vorgang zu justieren, bevor der Abtastkopf an der Maßverkörperung lagefixiert wird, da dann eine besonders exakte Ausrichtung der Bauteile gewährleistet ist.
Für eine exakte Funktion des Positionsmeßsystems ist es außerdem förderlich, wenn die Maßverkörperung am ersten Teil in einer genau bestimmten Lage befestigt wird. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Lage der Maßverkörperung zum ersten Teil justiert wird, unmittelbar bevor die Maßverkörperung am ersten Teil fixiert wird, so daß die Maßverkörperung bei der Montage des Positionsmeßsystems speziell auf das vorliegende erste Teil einjustiert werden kann. Es ergibt sich damit eine große Flexi- bilität für die Anwendung, weil bei der Montage der Maßverkörperung weitgehende Unabhängig von Toleranzen oder Ausführung des ersten Teils erreicht ist.
Die justierte Lage der Maßverkörperung zum Abtastkopf sollte auch während weiterer Montageschritte erhalten bleiben. Dejustierungen sind möglich, wenn bei der Befestigung des Abtastkopfes an dem zweiten Teil mechanische Spannungen auftreten. Diese werden über den Abtastkopf in die Maßverkörperung, von dort in das erste und von diesem ins zweite Teil weitergeleitet. Damit liegen Spannungen auch in der Fixierung zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung vor, so daß bei der Lösung der Fixierung die justierte Ideallage der beiden Bauteile zueinander verloren ginge. Um die justierte Lage beider Bauteile in solchen Fällen auch nach einem Lösen der Fixierung zwischen Ab- tastkopf und Maßverkörperung aufrechtzuerhalten, ist es daher nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Abtastkopf oder die Maßverkörperung so am jeweiligen Teil befestigt wird, daß keine Spannungen auftreten, die sich in die Lagefixierung zwischen Maßverkörperung und Abtastkopf fortsetzen und beim Lösen der Fixierung eine Relativverschiebung der beiden Bauteile zueinander verursachen könnten. Eine derartige Befestigung zeichnet sich also dadurch aus, daß sie eine Befestigung des Bauteils in der durch den bisherigen Montagevorgang vorgegebenen Lage zuläßt.
Um Spannungen zu vermeiden, ist es daher zu bevorzugen, Abtastkopf oder Maßverkörperung oder beide an dem jeweiligen Teil anzukleben. Diese Befestigungsart bietet den Vorteil, daß sie die An- Ordnungsmöglichkeiten der zu verbindenden Teile nicht einschränkt.
Es kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung außerdem eine zweistufige Klebung vorgesehen sein. Dazu wird in einem ersten Klebeprozess z.B. mittels eines UV-härtenden Konstruktionsklebers an speziell dafür vorgesehene Klebestellen eine schnelle Fixierklebung durchgeführt und danach wird etwa mittels eines langsam härtenden Zweikomponentenkleber die eigentliche Festig- keitsklebung durchgeführt. Da durch die Fixierklebung jedoch schon eine ausreichende mechanische Stabilität gegeben ist, kann abschließend mit weiteren Montageschritten fortgefahren werden. So ist für eine verkürzte Montagezeit gesorgt. Alternativ zu einer Klebung kann der Abtastkopf auch durch Verschweißen, Anlöten oder Anschrauben unter Zwischenschaltung von zueinander verschieblichen Klemmkeilen vorgesehen sein. Diese Befestigungsmöglichkeiten lassen es zu, etwaige Spalte zwischen den Berührflächen von Abtastkopf und zweitem Teil zu überbrücken. Mittels Schweißen oder Anlöten ist es darüber hinaus möglich, die einen Spalt zu füllen.
Es sind verschiedene Möglichkeiten vorstellbar, den Abtastkopf an der Maßverkörperung zu fixieren. An diese Möglichkeiten ist vor allem die Forderung gestellt, eine möglichst hohe Genauigkeit der Justage zu erreichen und aufrecht zu erhalten. Die Genauigkeit könnte darunter leiden, daß durch das Zwischenschalten zu vieler weiterer Bauteile sich unerwünschte Toleranzketten ergeben. Diese Gefahr wird dadurch vermieden, daß der Abtastkopf direkt auf dem Teilungsträger festgeklemmt wird.
Eine hohe Genauigkeit bei der Justage zu erreichen, erfordert eine einfache Handhabbarkeit der zueinander auszurichtenden Bauteile. Die Handhabung von Abtastkopf und Maßverkörperung zur und während der Justage läßt sich dadurch vereinfachen, daß der Abtastkopf zunächst nur grob vorjustiert und mit Spiel auf dem Teilungsträger befestigt wird. Erst danach erfolgt die Feinjustage zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung, nach deren Abschluß der Abtastkopf auf dem Teilungsträger endgültig festgeklemmt wird.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Positionsmeßeinrichtung der eingangs genannten Art, bei der der Abtastkopf lösbar am Teilungsträger lagefixiert ist. Die Fixiwerung des Abtastkopfes ist dabei direkt am Teilungsträger vorgesehen. Unter „direkt" ist jede Anordnung zu verstehen, die den Abtastkopf am Teilungsträger und nicht an Zwischenteilen befestigt, die wiederum den Teilungsträger tragen. So ist auf verblüffend einfache Weise sichergestellt, daß die vorbestimmte Position möglichst exakt erhalten bleibt. Diese Anordnung ermöglicht zudem durch eine geringe Anzahl von Bauteilen eine einfachere Handhabung bei der Montage.
Ein Parameter, der bei der Herstellung der vorbestimmten Lage beachtet werden muß, ist der Abstand zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung. Dessen Einstellung kann von Hand erfolgen, Hilfsmittel dafür sind jedoch wünschenswert. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Abtastkopf direkt unter Zwischenschaltung eines Abstandhalters am Teilungsträger fixiert ist. Ein solcher Abstandhalter kann in dem Befestigungsmittel des Abtastkopfes am Teilungsträger vorgesehen sein, in dem dieses so ausgelegt ist, daß es nur in eine bestimmte Fixierlage zu bringen ist. Zum Beispiel kann dies bei einer Schraubenbefestigung durch einen Anschlag verwirklicht sein, bis zu dem die Befestigungsschraube des Abtastkopfes am Teilungsträger eingedreht werden kann und so den Abstand definiert. Der Abstandhalter kann auch in einem zusätzlichen Bauteil bestehen, das unmittelbar zwischen Abtastkopf und Teilungsträger montiert ist und durch eine seiner Abmessungen, bevorzugt durch seine Dicke, den gewünschten Abstand definiert. Zugleich kann er so unerwünschte Nick- und Gierwinkel zwischen Abtastkopf und Teilungsträger verhindern. Als derartige Abstandhalter bieten sich plattenförmige oder folienförmige Bauteile an, auf denen zusätzlich Justagehilfsmittel zu Einstellung der Winkellagen der Teilungsstrukturen gegenüber dem Abtastkopf und der Überdeckung der Teilungsspuren durch den Abtastkopf aufgebracht sein können.
Prinzipiell kann der Abtastkopf mittels jeder lösbaren Verbindung am Teilungsträger befestigt werden. Diese ist vorteilhaft so gestaltet, daß der Abtastkopf durch Kraft- und/oder Formschluß am Teilungsträger fixiert ist. Bevorzugt sind dafür solche Einrichtungen zu verwenden, die einen geringen technischen Aufwand erfordern und die Funktion und Verwendung vor allem des Teilungsträgers nicht einschränkt. Daher ist es vorteilhaft, den Abtastkopf auf den Teilungsträger zu klemmen. Denn für eine Klemmung bedarf es auf dem Teilungsträger keiner Vorrichtungen, die seine Funktion beeinträchti- gen könnten.
Die Justage von Abtastkopf zur Maßverkörperung ist umso einfacher und damit umso genauer herzustellen, je leichter diese beiden Bauteile während der Justage handzuhaben sind. Eine Erleichterung kann darin bestehen, Abtastkopf und Maßverkörperung zunächst in eine grob vorjustierte Lage brin- gen zu können, aus der heraus die Justage erfolgt. Daher ist die Fixierung bevorzugt so auszubilden, daß sie eine Justierstellung, in der die vorbestimmte Position des Abtastkopfes zum Teilungsträger justierbar ist, und eine Fixierstellung aufweist, in der die Lagefixierung bewirkt ist.
Der Abstandhalter soll so gestalten sein, daß er auch zur Justage der Winkellagen der Teilungs- Strukturen gegenüber dem Abtastkopf geeignet ist. Dazu muß er seinerseits in eine unverrückbare Lage gebracht werden, was durch eine darauf ausgelegte Befestigung erfolgen kann. Weil er jedoch nach der Justage meist wieder entfernt wird, soll seine Befestigung mit möglichst geringem Aufwand geschehen. Dies kann duch Anschrauben erfolgen oder idealerweise durch Klemmen zwischen Abtastkopf und Teilungsträger. Dabei kann es jedoch vorkommen, daß der Abstandhalter ungewollt aus der vorgesehenen Position verschoben wird. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Abstandhalter gegen Verdrehen und/oder Verschieben gesichert ist. Als Sicherung bieten sich zum Beispiel Anschläge an, die eine Lageveränderung des Abstandhalters verhindern, oder in Vertiefungen oder Durchbrüche am Abstandhalter eingreifende Zapfen oder Stifte.
Zur Einstellung der vorbestimmten Lage sind Hilfsmittel notwendig, durch die diese Lage definiert ist. Solche können in Schablonen oder Lehren bestehen. Es ist jedoch wünschenswert, möglichst wenig Werkzeuge für das Einstellen der vorbestimmten Position zu benötigen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Maßverkörperung Justierstrukturen zur Einstellung der vorbestimmten Position aufweist. Auf diese Weise läßt sich eine besonders hohe Genauigkeit der vorbestimmten Position erreichen, weil sie eigens für jede Maßverkörperung definiert wird und nicht durch beschädigte Werkzeuge oder Lehren verringert werden kann.
Ist die Maßverkörperung bereits mit Justierstrukturen versehen, so ist es vorteilhaft, wenn der Abtastkopf dazu korrespondierende Strukturen trägt. Daher sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, daß der Abtastkopf Gegenmarken zu den Justierstrukturen der Maßverkörperung aufweist. Auf diese Weise läßt sich eine höhere Genauigkeit der Justage erzielen
Zur Herstellung des Teilungsträgers ist jedes Material geeignet, das gegen gewöhnliche Beanspru- chungen eines Meßgeräts beständig ist. Es sollte außerdem Justierstrukturen auf dem Teilungsträgers ermöglichen. Diese sind, je nach Einbaulage des Teilungsträgers, oft auf einer einem Monteur abgewandten Seite des Teilungsträgers erforderlich, so daß die Herstellung der vorbestimmten Position zumindest erschwert ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, daß der Teilungsträger zumindest teilweise, nämlich wenigstens im Bereich der Justierstrukturen, transparent ist. Damit ist das Ablesen der Justierstrukturen von beiden Seiten und unabhängig von der Einbaulage des Teilungsträger möglich.
Die Maßverkörperung muß so gestaltet sein, daß sie an dem ersten Teil befestigt und justiert werden kann. Dazu muß sie auf unterschiedliche Abmessungen des ersten Teils anpaßbar sein. Hierfür kann eine Anzahl von Maßverkörperungen vorgesehen sein, die sich in einer wesentlichen Abmessung, die mit einer solchen des ersten Teils korrespondiert - etwa dem Durchmesser für Nabe und Achse - unterscheiden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht jedoch darin, daß die Maßverkörperung einen Teilungsträger und eine Nabe umfaßt, wobei der Teilungsträger scheibenförmig ausgebildet ist und eine zentrisch angeordnete Ausnehmung aufweist, deren geringste Abmessung größer ist als der Durchmesser der Nabe, und wobei der Teilungsträger an der Nabe befestigt ist. Die Befestigung der Maßverkörperung erfolgt nun, indem zunächst eine auf die Abmessungen des ersten Teils abgestimmte Nabe am ersten Teil befestigt wird. Anschließend wird der Teilungsträger, der von den Abmessungen oder der Ausführungsart des ersten Teils weitgehend unabhängig gestaltet sein kann, über einen Flansch an der Nabe befestigt, wobei durch das Spiel zwischen Nabe und Ausnehmung eine Justierung möglich ist. Damit wird ist die Herstellung der Maßverkörperung wesentlich vereinfacht, weil die Fertigung des Teilungsträgers, der wegen der Teilungsstrukturen aufwendig und teuer ist, unabhängig von Abmessungen und Gestalt des ersten Teils erfolgen kann. Die Anpassung an das erste Teil dagegen geschieht über die verhältnismäßig einfach produzierbare Nabe.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird der Abtastkopf mit seinen Abtaststrukturen in allen erforderlichen Koordinaten zu den Teilungsstrukturen auf dem Teilungsträger ausgerichtet und in diesem Zustand am Teilungsträger mit speziellen Fixierelementen einfach lösbar befestigt. Danach wird dann zuerst der Teilungsträger mit dem befestigten Abtastkopf an das vorgesehene Maschinenteil in seine vorgesehene Meßlage justiert und befestigt und danach wird der Abtastkopf in dieser Lage spannungsfrei an dem zweiten Maschinenteil befestigt und erst dann werden die Fixierelemente zwischen dem Abtastkopf und dem Teilungsträger entfernt oder gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird mit verblüffend einfachen Mitteln sichergestellt, daß nach der Justierung des Abtastkopfes zu den Teilungsstrukturen und Fixierung desselben zum Tei- lungsträger eine sehr einfache und schnelle Montage dieser Meßsystemkomponenten anwendungs- gerecht realisiert werden kann. Durch dieses Verfahren wird eine günstige Arbeitsteilung zwischen der sehr meßsystemspezifischen Vormontage und einer sehr einfachen anwendungsspezifischen Montage dieser Komponenten erreicht. Dies ist besonders vorteilhaft, da die meßsystemspezifische Vormontage unabhängig von der Endanwendung mit SpezialVorrichtungen und auch hochautomatisiert durchgeführt werden kann.
Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für optische Positionsmeßsysteme, vor allem für die Längen- oder Winkelmeßung anwendbar. Bei der optischen Abtastung von Rasterteilungen auf einen Teilungsträger kommt es je nach der Teilungsperiode der Rasterteilungen auf dem Teilungsträger auf eine mehr oder weniger eng tolerierte Justage der Abtaststruktur, die in der Regel auf einer Abtastplatte angeordnet ist, zur Rasterteilung an. Hier sind besonders der Abstand, die Winkellagen und die Überdeckung einzelner Teilungsspuren wichtige Justageparameter. Die optischen und damit letztlich auch die elektrischen Signalqualitäten werden durch die Abweichungen der Abstands- und Winkellagen von den Sollwerten erheblich verschlechtert. Erfindungsgemäß werden der Abstand und die Winkellagen zwischen der Abtaststruktur und der Teilungsstruktur mittels spezieller Abstandshalter eingestellt.
Eine vorteilhafte Lösung der Abstandshalter zum Einstellen des Sollabstandes zwischen der Abtaststruktur und der Teilungsstruktur kann durch die Verwendung einer Abstandsfolie mit der Dicke des vorgegebenen Sollabstandes, die zwischen dem Teilungsträger und der Abtastplatte gelegt wird, erreicht werden. Durch die Verwendung einer parallelen Folie werden damit auch gleichzeitig der Nick- und Gierwinkel der Abtastplatte zum Teilungsträger optimal eingestellt.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer optisch transparenten Folie, als Abstandsfolie, durch die hindurch die Überdeckung und die Verdrehung der Abtaststruktur zur Teilungsstruktur betrachtet und damit auch eingestellt werden kann. Da durch die Verwendung von transparenten Folien im optischen Strahlengang der optische Weg zwischen der Abtaststruktur und Teilungsstruktur verfälscht wird, ist es vor allem bei kleinen Teilungsperioden der Teilungsstruktur ganz besonders vorteilhaft, wenn die Abstandsfolie im Bereich des optischen Strahlenganges eine Aussparung aufweist.
Bei sehr empfindlichen Abtast- und Teilungsstrukturen können der Abstand und die Parallelität zwischen Teilungsträger und Abtastplatte auch durch speziell geformte Abstandshalter eingestellt werden, die den Teilungsträger und/oder die Abtastplatte nur in Bereichen außerhalb der empfindlichen Strukturen berühren.
Der Abtastkopf wird, nachdem die Abtast- und Teilungsstrukturen zueinander justiert wurden, relativ zum Teilungsträger in seiner Lage fixiert. Diese Lagefixierung erfolgt vorteilhaft durch Klemmelemente, die den Abtastkopf mit seiner Abtastplatte über den Abstandshalter in seiner optimalen funk- tionellen Lage gegen den Teilungsträger drücken. Die Krafteinleitung der Klemmelemente zum An- drücken des Abtastkopfes sollte vorteilhaft auf der Rückseite des Teilungsträgers, das heißt auf der den Teilungsstrukturen gegenüberliegenden Seite erfolgen. Um eine sichere Lagefixierung zwischen Abtastkopf und Teilungsträger bei minimaler Krafteinleitung zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Klemmung an der Kontaktstelle zwischen den Klemmelementen und dem Teilungsträger so ausgebildet ist, daß eine Materialpaarung mit hohem Haftreibungskoeffizienten entsteht. Im Gegen- satz dazu sollten die Kontaktstellen zwischen Äbstandshalter und Teilungsträger und Abstandshalter und Abtastplatte so ausgebildet sein, daß sie einen möglichst kleinen Reibungskoeffizienten besitzen, um ein späteres einfaches Entfernen zu ermöglichen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Klemmelemente besteht darin, daß bei der Klemmung nur Kraft- komponenten senkrecht zum Teilungsträger entstehen und eventuell auftretende Querkräfte und Rotationsmomente vermieden werden. Das kann durch speziell ausgebildete Andruckelemente, die zum Abtastkopf drehgesichert angeordnet sind und über spezielle Parallel- bzw. Quasiparallelführungsme- chanismen verfügen. Die Klemmkrafterzeugung kann über bekannte Mittel wie Schrauben-, Exzenteroder Keilmechanismen realisiert werden.
Die Klemmelemente können je nach Ausführungsart und unter Kostenaspekte als fester Bestandteil des Abtastkopfes ausgeführt werden oder aber als abnehmbare und wiederverwendungsfähige Bauteile.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch darin, daß die Klemmelemente mechanisch direkt in den Abtastkopf integriert sind und zwar derart, daß über eine U-förmige Gestaltung des Abtastkopfes gegenüber der Abtastplatte Andruckelemente vorteilhafterweise in Form von Schrauben vorgesehen sind. Die Fixierung des Abtastkopfes erfolgt dann in der Art, daß nach der Justierung der Abtaststruktur zur Teilungsstruktur durch die Andruckschrauben vorteilhafterweise über ein Zwi- schenelement, das die Drehmoment- und Querkraftkomponenten der Andruckschrauben aufnimmt, der Abtastkopf über den Abstandshalter auf der Seite der Teilungsstruktur und dem Zwischenelement auf der Rückseite am Teilungsträger verschiebesicher festgeklemmt wird.
Dann ist zur eigentlichen Montage der Meßsystemkomponenten in den Encoder oder an das Meßob- jekt mit den beiden relativ beweglichen Teilen auf vorteilhafter Weise in einem ersten Verfahrensschritt nur der Teilungsträger in seine geforderte Funktionslage an dem ersten relativ beweglichen Teil zu justieren. Dabei bleibt der Abtastkopf weiter in seiner fixierten Lage zum Teilungsträger. Diese Justage erfolgt nach bekannten Verfahrensschritten beispielsweise über Zentriermarken oder Selbstzentriereinrichtungen an dem Teilungsträger. Nach der Justierung wird der Teilungsträger dann an diesem Teil befestigt. Da sich der Abtastkopf weiterhin in idealer Funktionslage zum Teilungsträger befindet, kann dieser dann in dieser noch starren Lage zum Teilungsträger an dem zweiten Teil befestigt werden.
Bei dieser Befestigung sollten keine nennenswerten Zwangskräfte auf den Teilungsträger übertragen werden. In sehr vorteilhafter Weise kann diese Befestigung über eine Dünnspaltklebung erfolgen. Das heißt, daß die Konstruktionstoleranzen so gewählt werden, daß zwischen dem Abtastkopf und dem zweiten Teil mit Sicherheit ein kleiner Luftspalt entsteht. Dieser kann beispielsweise einige wenige Zehntel Millimeter betragen. Dieser Luftspalt wird dann vorzugsweise über bekannte schrumpfungsarme Kleber ausgefüllt und der Abtastkopf am zweiten Teil befestigt. Zur sicheren und einfachen Klebung sind in der speziellen Gestaltung der Klebeflächen vorteilhafte Ausgestaltungen wie Oberflä- chenaufrauhungen, Klebekapillaren, Klebetaschen u.a. Maßnahmen denkbar.
Für eine sichere Funktion des Meßsystems über große Temperaturbereiche kann auch die Verwendung eines im Ausdehnungskoeffizienten angepassten Klebers vorteilhaft sein.
Nachdem der Abtastkopf dann am zweiten Teil möglichst frei von mechanischen Spannungen befestigt wurde, ist entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die Fixierung zwischen dem Abtastkopf und dem Teilungsträger zu lösen. Je nach gewählter Ausgestaltung des Abstandshalters und der Fixierelemente sind diese dann zu entfernen oder in eine Lage zu bringen, die die Funktion des Meßsystem nicht beeinträchtigt.
Mit diesen einfachen Verfahrensschritten wird zum einen eine sehr einfache Montage der Meßsystemkomponenten in das Meßobjekt erreicht, denn vor allem für optoelektronisch ungeübtes Montagepersonal ist die Einzelmontage von Abtastkopf und Teilungsträger sehr zeitaufwendig und kom- pliziert. Zum anderen kann durch dieses Verfahren auch eine deutliche Reduzierung der mechanischen Form- und Lagetoleranzen am Befestigungsteil des Abtastkopfes erreicht werden, da diese in großen Bereichen durch die Spaltklebung ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen im Prinzip beispielshalber noch näher er- läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Vorjustierung der Komponenten für eine optischen Winkelmeßeinrichtung;
Fig. 2 eine Draufsicht einer vorjustierten Winkelmeßeinrichtung;
Fig. 3 einen Querschnitt durch die vorjustierte Wiπkelmeßeinrichtung in gegenüber der Fig. 1 umgedrehter Lage;
Fig. 4 - 6 die Prinzipdarsteliungen der Montageschritte für die Montage der vorjustierten Winkelmeßeinrichtung in einen Elektromotor;
Fig. 7 einen Maßstab und einen Abtastkopf eines magnetoresistiven Linearmeßsystems;
Fig. 8 - 10 Ansichten des vorjustierten Abtastkopfes zum Maßstab und Fig. 11 - 13 Prinzipdarstellungen der Montageschritte für das vorjustierte Linearmeßsystem in eine Positioniereinheit.
In Fig. 1 ist (in prinzipieller Darstellung) eine für die vorjustierte Montage vorgesehene optische Meßeinrichtung gezeigt, soweit sie für die Darstellung des Verfahrens erforderlich ist. Diese optische Winkelmeßvorrichtung besteht aus einer Teilscheibe 1 als Maßverkörperung und einem Abtastkopf 2, der in bekannter Weise die Teilungsstrukturen 3 auf der transparenten Teilscheibe 2 im Durchlicht- verfahren abtastet. Die Teilungsstrukturen 3 sind als Rasterteilungen ausgebildet. Der Abtastkopf 2 weist eine Beleuchtungseinheit 5 und einer Abtastplatte 6 mit Abtaststrukturen 7 auf, die in bekannter Weise mit den abzutastenden Teilungsstrukturen 3 korrespondieren. Die gewonnenen optischen Abtastsignale werden in üblicher und daher nicht dargestellten Weise über Photodioden und weitere elektrische Bauelementen in elektrische Signale umgewandelt, die über elektrische Leitungen einer Steuerungseinheit oder einem Zähler zugeleitet werden.
Der Abtastkopf 2, insbesondere die Abtastplatte 6 mit den Abtaststrukturen 7, muß sehr genau zu den Teilungsstrukturen 3 ausgerichtet werden. Die Abtaststrukturen 7 müssen sowohl in radialer Richtung als auch in ihrer Ausrichtung zu den Teilungsstrukturen 3 ausgerichtet werden.
Mit Vorteil wird die Teilscheibe 1 dazu in einer speziellen Montagevorrichtung 8 fixiert. Von besonderem Vorteil ist es, daß die Fixierung der Teilscheibe 1 so erfolgt, daß die Teilungsstrukturen 3 zu einer Aufnahmeachse 9 zentriert sind. Diese Aufnahmeachse 9 dient als radialer Bezugspunkt 10 (Koordinaten-Nullpunkt).
Die Ausrichtung der Abtaststrukturen 7 zu den Teilungsstrukturen 3 erfolgt dann über spezielle Justiermarken 11 und 11 ' auf der Abtastplatte, die mit einem speziellen Justierkreis 12 auf der Teilscheibe in Überdeckung gebracht werden (vgl. Fig. 2). Diese Überdeckung kann üblicherweise mit einem (nicht dargestellten) telezentrischem Mikroskop betrachtet werden. Weil vor allem bei sehr feinen Rasterstrukturen die Ausrichtung sehr exakt erfolgen muß, wird diese in vorteilhafter Weise mittels eines (nicht dargestellten) Manipulators mit mehreren Freiheitsgraden 4 durchgeführt. Dieser ist Bestandteil der Montagevorrichtung 8.
Für die optische Signalbildung ist weiterhin auch der Abstand zwischen den Abtaststrukturen 7 und den Teilungsstrukturen 3 von großer Wichtigkeit. Nach bekannten Gesetzmäßigkeiten existieren für die unterschiedlichen Rasterstrukturen optimale Abstände. Weiterhin soll die Ebene der Abtaststrukturen 7 zur Ebene der Teilungsstrukturen 3 parallel angeordnet sein. Diese Justierung wird in vorteilhafter Weise mittels eines Abstandhalters 13, der als Folie ausgebildet ist, welche in ihrer Dicke dem optimalen Abstand entspricht, durchgeführt. Dabei wird die Folie zwischen der Teilscheibe 1 auf der Seite der Teilungsstrukturen 3 und den Abtaststrukturen 7 der Abtastplatte 6 gelegt und beidseitig zur Anlage gebracht. Die Abtastplatte 6 sollte dazu vorteilhafterweise etwas aus dem Abtastkopf 2 her- ausragen. Durch den planparallelen Abstandhalter 13 mit der Sollabstandsdicke ist somit auf einfache Art sowohl der optimale Abstand der optischen Strukturen (axiale Justierung) als auch die Parallelität der Teilscheibe 1 zur Abtastplatte 6 möglich.
In dieser justierten Lage des Abtastkopfes 2 zur Teilscheibe 1 wird dieser dann mittels spezieller Klemmelemente 14 zur Teilscheibe 1 fixiert. Diese Klemmelemente 14 sind in dieser Ausführung als Andruckschrauben ausgeführt.
Zur Vermeidung von Beschädigungen der Teilscheibe 1 einerseits und zur Aufnahme der üblichen Anschraubdrehmomente andererseits ist die Verwendung einer möglichst drehgesicherten Zwischenplatte 15 vorteilhaft. Die Verdrehsicherung dieser Zwischenplatte 15 ist durch eine spezielle Arretierung 16 derselben zur Montagevorrichtung 8 gelöst. Für eine gute Fixierung, das heißt, für eine rutschsichere Klemmung, ist die Zwischenplatte 15 auf der Kontaktseite zur Teilscheibe 1 mit einer dünnen elastischen gleithemmenden Schicht 17 beschichtet (vgl. Fig. 3).
Nach der Fixierung des Abtastkopfes 2 zur Teilscheibe 1 wird die vorjustierte Meßsystemeinheit aus der Montagevorrichtung 8 entnommen und steht für eine vorteilhafte Meßsystemmontage für die unterschiedlichsten Applikationen zur Verfügung.
In Fig. 4 bis 6 sind die erfindungsgemäßen Verfahrenschritte für die Montage einer vorjustierten Winkelmeßeinrichtung an einem Elektromotor 21 dargestellt. Mit dieser Winkelmeßeinrichtung - auch als Drehencoder bezeichnet - sollen die Drehbewegungen der Antriebswelle 22 gemessen werden.
Fig. 4 zeigt den ersten Verfahrensschritt, bei dem die Teilscheibe 1 zentriert und befestigt wird. Für die Montage des Drehgebersystems wird zuerst die Teilscheibe 1 mit dem daran fixierten Abtastkopf 2 an den Anlageflansch 23 der Antriebswelle 22 angelegt und zentriert. Für eine einfache Zentrierung der Teilscheibe 1 zur Antriebswelle 22 und damit auch zum Anlageflansch sind auf der Teilscheibe mehrere zu den Teilungsstrukturen konzentrische Justierkreise 24 vorhanden, die eine Dicke von 10 μm und jeweils einen Abstand von 10 μm haben (vgl. Fig. 2). Der Anlageflansch 23 hat einen Soll- durchmesser von 16 mm, und die konzentrischen Justierkreise 24 überstreichen den Durchmesserbereich von 15,900 mm bis 16,100 mm. Durch diese Anordnung kann auf sehr einfache Weise- der Außendurchmesser des Anlageflansches 23 zu einem der Justierkreise 24 mittels Symmetrieabgleich in Überdeckung gebracht werden, ohne daß die Teilscheibe 1 dazu gedreht werden muß. Da die Justierkreise 24 auf der Teilscheibe 1 konzentrisch zu den Teilungsstrukturen 3 angeordnet sind, ist damit auf einfache Weise die Teilscheibe 1 zentriert.
Sie wird dann mit bekannten handelsüblichen Klebern am Anlageflansch 23 angeklebt. Wenn die Klebung ausreichend fest ist, wird der fixierte Abtastkopf 2, falls erforderlich, durch einfache Drehung der Motorantriebswelle über seiner Einbaulage positioniert. Die Lage des Anlageflansches 23 in axialer Richtung ist konstruktiv so dimensioniert, daß zwischen der Unterseite des Abtastkopfes 2, die speziell als Klebefläche ausgebildet wurde, ein Luftspalt 26 von 0,2 +/- 0,1 mm entsteht.
Fig. 5 zeigt die Befestigung des Abtastkopfes an den Stator des Motors. Dazu wird der Luftspalt 26 nach bekannten Klebetechnologien mit einen gfasfasergefüllten Epoxydharzkleber ausgefüllt. Dieser Kleber wurde so dimensioniert, daß er schrumpfarm und spannungsfrei aushärtet. Zur Verbesserung der Klebung wurde die Klebefläche am Abtastkopf 2 mit hier nicht dargestellten speziellen Klebertaschen versehen und die Oberfläche rauh gestaltet.
Zur Verkürzung der Montagezeit kann die Klebung auch in zwei Schritten durchgeführt werden. Dazu wird in einem ersten Klebeprozess mittels eines UV-härtenden Konstruktionsklebers an speziell dafür vorgesehene Klebestellen eine schnelle Fixierklebung durchgeführt und danach wird mittels eines langsam härtenden Zweikomponentenkleber die eigentliche Festigkeitsklebung durchgeführt. Da durch die Fixierklebung jedoch eine ausreichende mechanische Stabilität gegeben ist, kann schon dann die Fixierung des Abtastkopfes 2 zur Teilscheibe 1 gelöst werden. Dazu werden zuerst die Fixierschrauben 14 entfernt und danach die Zwischenplatte 15 und der Abstandshalter 13.
Fig. 6 zeigt die fertig montierte Winkelmeßeinrichtung am Elektomotor. Nach dem Herstellen der elektrischen Verbindungen zur hier nicht dargestellten elektrischen Auswerteeinheit ist der optische Drehencoder funktionsfähig, ohne daß weitere elektrische oder mechanische Justierungen vorgenommen werden müssen.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte für Linearencoder. Hier soll beispielshalber die Montagetechnologie für die magnetoresistive Positi- onsmeßung mittels vorjustiertem Abtastkopf gezeigt werden.
In Fig. 7 sind die Meßystemkomponenten schematisch dargestellt. Der Abtastkopf 29 weist einen speziellen Empfängerchip 30 auf. Der Empfängerchip 30 enthält Empfängerstrukturen 31 die mit den magnetischen Teilungsstrukturen 32 auf dem magnetischen Maßstab 33 korrespondieren. Der Emp- fängerchip 30 ist mit einer dünnen parallelen Abdeckung 34 in Form eines Vergusses versehen. Der Empfängerchip 30 mit dem Verguß 34 zusammen entsprechen der Abtastplatte 6 der Fig. 1. In dieser speziellen Ausführung wird der Empfängerchip 30, der auf einen Verdrahtungsträger 35 gebondet ist, so im Abtastkopfgehäuse angeordnet, daß er mit seinen Abtaststrukturen 100 μm unter der Gehäusekanten 36 liegt. Der Verguß 34 schließt bündig mit den Gehäusekanten ab und somit schließen die Gehäuseunterkantenkanten 36 auch mit der Abtastplatte 6 ab.
Der magnetische Maßstab 33 besteht aus einem glasfasergefülltem Polyamid, auf dem die magnetischen Teilungsstrukturen als Rasterteilung mit einer Teilungsperiode von 1 mm aufgedruckt sind. Für diese Teilungsperiode ergibt sich ein optimaler Abstand zwischen Rasterteilung und den Abtaststruk- turen von 500 μm. Daraus ergibt sich ein optimaler Arbeitsabstand zwischen dem Abtastkopf und Maßstab von 400 μm.
Erfindungsgemäß wird dieser Arbeitsabstand durch einen speziellen Abstandshalter 37 eingestellt. Der Abtastkopf 29 wird dazu geometrisch zur pasterteilung ausgerichtet. Mittels eines hier nicht dargestellten Manipulators wird der Abtastkopf so ausgerichtet, daß sich ein maximales Ausgangssignal an einer (nicht dargestellten) elektrischen Auswerteschaltung ergibt. Da der magnetische Maßstab 33 in der vorgesehenen Applikation vollflächig aufgeklebt werden soll, erfolgt die Fixierung des Abtastkopfes 29 über einen Hilfswinkel 38. Dazu wird der Abtastkopf 29 im Abstand zum magnetischen Maßstab 33 über den Abstandshalter 37 eingestellt und dieser durch den Manipulator in seiner optimalen Lage gehalten. Am Abtastkopf wird ein Hilfswinkel 38 über ein Distanzstück 39 mittels der Schrauben 40 so angeschraubt, daß der zweite Schenkel des Hilfswinkel 38 auf dem magnetischen Maßstab 33 aufliegt. Dieser wird dann in dieser Lage mittels eines handelsüblichen Dünnspaltklebers 41 am magnetischen Maßstab 33 angeklebt. Nachdem die Klebung fest ist, kann der magnetische Maßstab 33 mit dem fixierten Abtastkopf 29 aus der Justiervorrichtung entnommen werden. Dieses vorjustierte Meßsystem steht dann für eine effektive Applikationsmontage zur Verfügung. Diese erfolgt dann so, daß der magnetische Maßstab 33 in seiner Längserstreckung zum Maschinenablauf ausgerichtet wird und auf dem Maschinenbett aufgeklebt wird.
In Fig. 11 ist eine Positioniereinheit bestehend aus einem Grundbett 41 und einem Positioniertisch 42, der auf der Führung verschiebbar ist, dargestellt. Das vorjustierte Meßsystem, wie in Fig. 12 dargestellt, wird auf dem Grundbett 41 in der Längserstreckung des Maßstabes 33 zum Ablauf des Positioniertisches 42 ausgerichtet und mittels eines elastischen Klebers befestigt. Nachdem der magnetische Maßstab 33 eine ausreichende Lagestabilität besitzt, wird der Abtastkopf 29 mittels einer Dickspaltklebung 43 am Positioniertisch 42 befestigt. Wenn diese Klebung ausgehärtet ist, kann der Abtastkopf 29 von Hilfswinkel 38 gelöst werden. Dazu wird die Fixierung des Abtastkopfes 29 zum Maßstab 33 über den Hilfswinkel 38 gelöst und das Distanzstück 39 entfernt. Fig. 13 zeigt die vollständig montierte Meßeinrichtung.
Weiter können bei der Befestigung der Positionsmeßeinrichtung verwendet werden:
Klebetaschen; feste Lage Kopf zur Teilung (Ref.-Pkt. 0-Pkt); spezielle Abstandshalter; • spezielle Gestaltungen von Andruckhaltern;
Justiermarken auf einer Abtastplatte; eine Justierung des Abtastkopfes zur Teilungsstruktur mittels Messung unter Verwendung eines Manipulators in allen Koordinaten mit Offset R1 und A1 außerhalb, dann Einlegen des Abstandshalters, Verfahren mit dem Manipulator R1 und A1 und dann Fixieren des Ab- tastkopfes.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Montage eines Positionsmeßsystems an einem ersten Teil und einem gegenüber diesem beweglichen zweiten Teil, wobei das Positionsmeßsystem eine Maßverkörperung mit ei- nem Teilungsträger, die am ersten Teil befestigbar ist, und einen Abtastkopf umfaßt, der am zweiten Teil befestigbar ist, mit folgenden Schritten: a) Fixieren des Abtastkopfes an der Maßverkörperung, so daß Abtastkopf und Maßverkörperung zueinander lagefixiert sind, b) Befestigen der Maßverkörperung am ersten Teil und des Abtastkopfes am zweiten Teil, und c) Lösen der Fixierung zwischen Abtastkopf und Maßverkörperung, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf oder die Maßverkörperung in der durch die Lagefixierung vorgegebenen Stellung am jeweiligen Teil spaltfüllend befestigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Abtastkopfes zur Maßverkörperung justiert wird, bevor in Schritt a) der Abtastkopf an der Maßverkörperung lagefixiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Maßverkörperung zum ersten Teil justiert wird, bevor in Schritt b) die Maßverkörperung am ersten Teil befestigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf oder die Maßverkörperung in Schritt b) so am jeweiligen Teil befestigt wird, daß keine Spannungen entstehen.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung und/oder der Abtastkopf an das jeweilige Teil geklebt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine zweistufige Klebung.
7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf oder die Maßverkörperung in Schritt b) an dem zweiten Teil angeschweißt, angelötet oder unter Zwischenschaltung von zueinander verschieblichen Klemmkeilen angeschraubt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) der Abtastkopf an der Maßverkörperung fixiert wird, indem er auf den Teilungsträger geklemmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf zunächst grob vorjustiert auf den Teilungsträger mit Spiel befestigt und dann zum Teilungsträger feinjustiert und in dieser Lage auf den Teilungsträger lagefixierend geklemmt wird.
10. Positionsmeßsystem zum Abtasten einer Bewegung zwischen einem ersten Teil und einem gegenüber diesem beweglich angeordneten zweiten Teil, wobei das Positionsmeßsystem insbesondere für das Montageverfahren nach Anspruch 1 geeignet ist und wobei das Positionsmeßsy- stem aufweist: eine Maßverkörperung, die am ersten Teil befestigbar ist und einen Teilungsträger aufweist, einen Abtastkopf, der am zweiten Teil befestigbar ist und eine Bewegung der Maßverkörperung gegenüber dem Abtastkopf abtastet, eine Fixierung, mit der Maßverkörperung und Abtastkopf in einer vorbestimmten Position zu- einander lagefixierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf lösbar am Teilungsträger lagefixiert ist.
11. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf direkt unter Zwischenschaltung eines Abstandhalters am Teilungsträger fixiert ist.
12. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf durch Kraft- und/oder Formschluß am Teilungsträger fixiert ist.
13. Positionsmeßsystem nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf auf dem Teilungsträger geklemmt ist.
14. Positionsmeßsystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung eine Justierstellung, in der die vorbestimmte Position des Abtastkopfes zum Teilungsträger justierbar ist, und eine Fixierstellung aufweist, in der die Lagefixierung bewirkt ist.
15. Positionsmeßsystem nach den Ansprüchen 11 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter gegen Verdrehen und/oder Verschieben gesichert ist.
16. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Maßverkörperung Justierstrukturen zur Einstellung der vorbestimmten Position aufweist.
17. Positionsmeßsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf Gegen- marken zu den Justierstrukturen der Maßverkörperung aufweist.
18. Positionsmeßsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsträger zumindest teilweise transparent ist.
19. Positionsmeßsystem nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung einen Teilungsträger und eine Nabe umfaßt, wobei der Teilungsträger scheibenförmig ausgebildet ist und eine zentrisch angeordnete Ausnehmung aufweist, deren geringste Abmessung größer ist als der Durchmesser der Nabe, und wobei der Teilungsträger an der Nabe befestigt ist.
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