CN110388945B - 标尺附接装置和线性编码器 - Google Patents

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Abstract

一种标尺附接装置,能适当降低带尺沿厚度方向的晃动。一种配置为附接线性编码器的带尺的标尺附接装置(100)包括固定块(10)和承装构件(20、20)。固定块(10)通过将带尺(200)的沿纵向方向的中心部分压在目标对象上而固定该中心部分。承装构件(20、20)包括沟槽,以在固定块(10)的两侧承装标尺(200)的其余部分。带尺(200)沿纵向方向***到沟槽中,其背表面面对承装构件(20)的沟槽底表面,由此装在沟槽中。沟槽的开口宽度尺寸小于标尺(200)的宽度尺寸。在标尺(200)承装在沟槽内的承装空间中的状态下,沿厚度方向的标尺的间隙值等于或小于线性编码器的检测头(300)可接受的间隙变化值,且沿宽度方向的标尺(200)的间隙值等于或大于0.1mm。

Description

标尺附接装置和线性编码器
技术领域
本发明涉及线性编码器,其配置为对机器工具等的运动部分的运动量或位置执行高精度测量。更具体地,本发明涉及标尺附接装置,其配置为将包括在线性编码器中的带尺附接到例如机械装置等的目标对象。
背景技术
一些线性编码器具有分离式的构造,其中标尺与检测头分离。在这种分离式线性编码器中,例如,标尺附接到要被固定的目标对象,而检测头附接到要被运动的目标对象。具体地,标尺固定到要被固定的目标对象,使得标尺的纵向方向沿运动方向,而检测头固定到要被运动的目标对象,使得标尺的刻度表面到检测头的间隙(空隙)具有一定的值。在目标对象运动时,检测头沿标尺的刻度方向运动,以能在任何位置读取刻度。
对于检测头,到标尺的间隙被设置为降低输出变化。此外,因为实际间隙与设定值不同,间隙变化的可接受范围也被限定为将检测头的输出变化限制在可接受的范围内。可接受的范围也在下文称为间隙公差。
带尺用薄金属制造且通常用作标尺。使用带尺的柔性,带尺可通过卷绕标尺而以紧凑的形式运输和存储。与刚性体的标尺比较,带尺因此适于在窄空间中的安装工作。
带尺小厚度的特征会在厚度方向(与间隙方向相同)上产生晃动,这取决于安装方法,会使得间隙值超过间隙公差。为了降低晃动,可以使用将带尺的背表面用双面胶或粘接剂附接到目标对象表面的安装方法。然而,该方法使得带尺的附接/拆卸不方便。
在JP 2016-126000 A中公开的标尺附接装置中,带尺的一端部用固定块固定,且带尺的另一端部用张力块(tension block:张力轮)固定,处于总是产生拉张力的状态。沿带尺的纵向方向施加拉张力限制了沿厚度方向的晃动。此外,将每一个块解除螺纹旋拧可在任何时间将带尺的端部部分分离,这满足带尺容易附接/拆卸的需要。
引证目录
专利文献
专利文学1JP 2016-126000 A(参考图1)
发明内容
技术问题
但是,JP 2016-126000 A公开的标尺附接装置具有一些问题,包括必须使用具有复杂结构的张力块,标尺的安装表面从带尺的长度按每一个块的长度延伸,例如调整张力集中这样的安装工作和困难,且需要大量零件。
本发明的目的是提供一种标尺附接装置和线性编码器,其首先满足适当地减小带尺沿厚度方向的晃动;其次,实现带尺的容易附接/拆卸;再次,部件简单且零件量小;和最后,安装工作容易。
问题的解决方案
发明人已经对上述问题进行了大量研究,以确定带尺的仅沿纵向方向的一部分被固定在目标对象上,且其他部分***到承装构件的沟槽中,以承装在承装构件中,而不进行固定。发明人随后注意到承装构件的沟槽形状,且为沟槽提供具体形状,以便至少沿厚度方向限制所承装带尺的晃动。结果发现,可实现按目的状态将带尺附接到目标对象的标尺附接装置,且实现本发明。
提供一种根据本发明实施例的标尺附接装置,以将用于线性编码器的带尺附接到目标对象。
标尺附接装置包括固定构件和承装构件,该固定构件配置为通过将带尺的沿纵向方向的一部分压到目标对象上而固定带尺的该部分,且承装构件包括配置为承装带尺的其余部分的沟槽。
承装构件设置为邻近固定构件。
带尺沿纵向方向***到沟槽中,带尺的背表面面对沟槽的底表面,且由此承装在沟槽中。
沟槽的开口的宽度尺寸小于带尺的宽度尺寸。
在带尺被承装在沟槽内的承装空间中的状态下,沿厚度方向的带尺的间隙值等于或小于对于线性编码器的检测头来说可接受的间隙变化值,且沿宽度方向的带尺的间隙值等于或大于0.1mm。
在本发明的实施例中,使用固定构件,将带尺沿纵向方向的一部分固定在目标对象上。固定在这里是指使得带尺的一部分不会沿厚度方向、宽度方向、或纵向方向运动到目标对象。
根据该构造,带尺的要被固定的部分仅是沿纵向方向的部分,且其他部分被承装在承装构件的沟槽中,而没有固定。因此,与用双面胶带等将带尺的整个背表面附接到目标对象比较,根据本发明实施例的构造允许在任何时候以易于附接/拆卸的方式固定。
此外,标尺附接装置简单地包括固定构件和承装构件,该固定构件将带尺的沿纵向方向的一部分固定,且承装构件承装带尺的其余部分。部件简单且零件数量少。安装工作包括一简单的过程,其中承装构件设置为与固定构件并排且邻近,带尺***到承装构件的沟槽中并达到一定位置,且仅标尺的一部分用固定构件固定。
进而,在沿带尺的长承装构件的前表面上形成用于承装带尺的沟槽。沟槽形成为开到承装构件的前表面。沟槽开口的宽度小于带尺的宽度。因此,可仅通过将带尺沿纵向方向***到沟槽中的承装空间来承装带尺。被承装的带尺的背表面面对沟槽的底表面。这里,承装空间的形状如下确定。在承装空间中带尺沿厚度方向的间隙被确定为等于或小于用于线性编码器的检测头可接受的间隙变化值(间隙公差)。如上所述沿厚度方向确定间隙最大值能减少带尺沿厚度方向的晃动,以甚至在最大程度上也仅产生其值等于或小于间隙公差值的晃动。检测头的输出变化减少到很小,由此获得线性编码器的高精度测量。作为对比,对于沿厚度方向的间隙最小值,至少确保等于或大于0.01mm的值,由此能确保易于将带尺***到沟槽中。
此外,在承装空间中沿宽度方向的带尺的间隙值被确定为等于或大于0.1mm以减小在承装空间中沿宽度方向的运动量。
仅对固定构件而不对承装构件的沟槽设置对带尺沿纵向方向运动的限制。在周围环境或目标对象的安装温度改变时,因带尺的热膨胀或收缩造成的位移随距固定构件距离的增加而增加。针对带尺热膨胀对输变化的影响,可以针对标尺材料对检测头的输出值简单地执行通常的修正处理。这种修正处理可在带尺能沿纵向方向运动到承装构件的状态下准确地实现。
在根据本发明实施例的标尺附接装置中,
固定构件配置为固定带尺的中心部分中的至少一部分,且
承装构件设置在固定构件的两侧,以承装带尺的两侧部分,且通过双面胶带粘接并固定到目标对象。
通过该构造,沿纵向方向的带尺中心部分中的至少一部分被固定到目标对象。对于线性编码器,用于绝对测量的标尺的原点通常被确定为围绕该中心。将原点定位到标尺的固定部分或围绕该固定部分使得因热膨胀等造成的原点未对准最小化,这有助于增加测量的准确性。
此外,与用固定螺丝固定比较,用双面胶带将承装构件固定到目标对象基本上能减少承装构件的厚度。因为双面胶带在其粘接层中具有弹性,所以目标对象的安装表面上的不规则部分被粘接层吸收,这有助于允许确保承装构件的平坦度和笔直度。
在根据本发明实施例的标尺附接装置中,在承装构件的背表面上,沿沟槽的纵向方向优选形成彼此平行的多个背表面凹部。
通过该构造,形成在承装构件的背表面上的背表面凹部有助于去除在固定双面胶带时引入的空气泡。
在根据本发明实施例的标尺附接装置中,在承装构件的侧表面上,侧表面凹部优选沿沟槽的纵向方向形成。
根据该构造,在使用用于抗剥离的装配件以防止承装构件剥离掉时,可使用这样的方法:将装配件的一部分锁定到承装构件侧表面上的凹部,且装配件本身固定到目标对象。
根据本发明实施例的标尺附接装置包括
用上述标尺附接装置附接到目标对象的带尺,和配置为读取带尺上光栅的检测头。
检测头构成远心式光学***,检测头包括面对光栅的透镜,孔设置在透镜的焦点位置上,且光接收元件阵列配置为接收经过透镜和孔的被检测光。
根据该构造,检测头的光学***配置为远心式的,检测头的间隙公差因此被设置为相对大的值。因此,具有上述性能的检测头和能降低检测输出变化的标尺附接装置的组合实现了优秀线性编码器的构造,其能保持高精度测量且与标尺相距大间隙值。
发明的有益效果
通过根据本发明实施例的标尺附接装置和线性编码器,要被固定到目标对象的部分被限制为带尺的一部分,其允许带尺的容易附接/拆卸。带尺的未固定部分沿厚度方向的运动量通过承装构件被减小到在间隙公差以内的值,这实现具有小输出变化的高精度测量。标尺附接装置包括少量零件,其允许容易的安装和去除工作。
在常规线性编码器中,张力被应用于带尺,由此将标尺的晃动降低到间隙公差内的值,这需要标尺保持器沿厚度方向具有相对大的间隙。根据本发明实施例的线性编码器是通过改变观念来实现的,即使用沟槽的形状和尺寸而不对带尺施加任何张力,从而将标尺的晃动减小到间隙公差以内的值,由此将标尺保持器沿厚度方向的间隙的更小值设定到一定范围。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的线性编码器的整个构造的透视图。
图2A是线性编码器的平面图且图2B是线性编码器的侧视图。
图3是沿图2的III-III截取的截面图。
图4是沿图2的IV-IV截取的截面图。
图5是显示了线性编码器的标尺附接装置中的标尺保持器的承装空间的示意性截面图。
图6A到6C是显示了修改标尺保持器中沟槽形状的截面图。
图7是一例子的截面图,其中抗剥离装配件施加到标尺保持器。
图8是显示了适用于线性编码器的检测头的光学构造的视图。
具体实施方式
下文中,将参考附图详细描述本发明的实施例。图1是根据第一实施例的线性编码器的整个构造的透视图。该视图示出了使用标尺附接装置100将带尺200附接到机械装置的状态,该机械装置是目标对象,且示出了带尺200和检测头300的位置关系。图2A是线性编码器的整个构造的平面图且图2B是其侧视图。
线性编码器包括标尺附接装置100、带尺200、和检测头300。虽然机械装置的外部视图在附图中被省略,但是机械装置的标尺安装表面SF被预先机加工,以具有一定的平坦度,且形成螺纹孔,该螺纹孔允许标尺附接装置100通过螺钉固定到机械装置。除非另有说明,在下文的描述中使用具有X-Y-Z轴线的笛卡尔坐标系,即,X轴线用于纵向方向,Y轴线用于宽度方向,且Z轴线用于标尺的厚度方向。
标尺附接装置100包括固定块10和设置在固定块10的两侧的两个标尺保持器20,以作为一个整体构成一直线。固定块10包括固定基部12、保持构件14、和将这两个构件固定到安装表面的多个螺钉18。
参考图3的截面图,使用沿厚度方向形成的穿通孔,将平坦形状的固定基部12通过螺钉固定到安装表面SF。在固定基部12的前表面上放置带尺200的沿纵向方向的中心部分。
保持构件14沿标尺200的宽度方向与固定基部12并排设置,且用沿厚度方向形成的穿通孔通过螺钉固定到安装表面SF。在保持构件14上表面上的固定基部12侧上的边缘部分中,保持件16设置为与安装表面SF平行地突出。保持件16部分覆盖固定基部12上的标尺200的刻度表面。即,保持构件14通过螺钉18固定到安装表面SF,且位于固定基部12上的标尺200的边缘的一部分被保持件16从上方按压。标尺200的边缘部分由此被夹在且保持在保持件16和固定基部12之间。该构造限制带尺200的中心部分沿X轴线、Y轴线或Z轴线的任何方向的运动。因为固定基部12上的标尺被保持构件14固定,标尺200不必被机加工出用于旋拧螺钉的孔。
参考图4的截面图,具有矩形截面的标尺保持器20例如通过铝挤出来制造,且被切成期望长度,以减小尺寸和重量。在标尺保持器20的前表面上,沿纵向方向在标尺保持器20中形成用于保持标尺200的沟槽22。此外,在标尺保持器20的每一个侧表面上形成侧表面凹部24。在保持器的背表面上设置多个背表面凹部26。双面胶带50固定到保持器的背表面,且随后固定到安装表面SF上的某一位置,由此标尺保持器20被固定到安装表面SF。
参考图4描述沟槽22的详细形状。在沟槽的底表面30上设置沿高度方向(Z轴线方向)突出的两行突出部32。突出部32的上表面被机加工成平坦的且带尺200的背表面被放置在其上。在底表面30的沿宽度方向的两端设置侧壁34。侧壁34形成沟槽22的内壁表面。在侧壁34的每一个上从其上端沿宽度方向朝向内侧形成限制件36。换句话说,保持器的截面通过底表面30、侧壁34和限制件36形成为躺卧的字母C的形状。沟槽22的开口的宽度尺寸通过一对限制件36之间的间隙表示。在图4的截面图中,沟槽22的形状是对称的,包括两行突出部32、侧壁34和在两端上的限制件36。沟槽22的开口的宽度小于带尺200的宽度。因此,可仅通过从保持器的端部沿标尺保持器20的纵向方向将标尺200逐渐***沟槽22中来承装带尺200。
带尺200包括带形式的标尺基部材料和在标尺基部材料的前表面上沿X方向形成为带状的光栅。标尺基部材料用不透光材料制造,例如金属。例如通过让不透明薄金属膜经历光刻工艺来形成光栅,该不透明薄金属膜具有高的光反射率,例如是形成在标尺基部材料上的铬。带尺200具有柔性且可通过绕卷轴等卷绕而被处理为紧凑形式。
检测头300的宽度大于标尺保持器20的宽度。检测头300的下表面以非接触方式部分覆盖装在标尺保持器20中的带尺200。在检测头300的下表面上设置光入口/出口,来自头部中的光源的测量光通过该光入口/出口朝向标尺的表面发射。检测头300设置为具有从检测头300的下表面到带尺表面的具有一定值的间隙。检测头300固定到要被运动的目标对象且沿标尺200的纵向方向运动,同时保持该一定值的间隙。在带尺上的光栅被从检测头300发射的光照射时,光栅上调制的光作为反射光返回到检测头300且被检测。从检测头300而来的检测信号通过线缆310发送到机械装置的控制器等。
图5中的阴影区域是承装带尺200的空间(称为承装空间40)。承装空间40的高度H通过从突出部32到限制件36的空间表示。承装空间40的宽度w通过左右侧壁34之间的空间表示。
对于根据该实施例的标尺附接装置,如图6A到6C所示,可采用包括各种具体形状的沟槽22A到22C的标尺保持器20A到20C。带尺200的宽度通过Ws表示,且其厚度通过Hs表示。图6A所示的沟槽22A具有在底表面30的单行突出部32。图6B所示的沟槽22B具有在底表面30上的两行突出部32。虽然单行突出部32已经足够,但是两行突出部32允许容易地对突出部32的上表面进行机加工,以获得一定的平坦度。图6C示出了一例子,其中,沿厚度方向向下突出的突出部38在沟槽22C的开口中在两侧形成于限制件36每一个的内侧。突出部38形成为将带尺200沿厚度方向的运动量限制为一定的值。沟槽的这些各种形状限制带尺200沿厚度方向的运动量,以便使得运动量等于或小于检测头的间隙公差值。提供突出部38允许容易地沿厚度方向将间隙形成为目的尺寸。
图7示出了利用标尺保持器的侧表面凹部24的抗剥离装配件52的构造。抗剥离装配件52设置在保持器20D的两侧,且通过双面胶带50固定到安装表面SF。抗剥离装配件52包括朝向保持器20D的侧表面突出的锁定件。抗剥离装配件52通过与侧表面凹部24接合的锁定件固定。该构造实现防止标尺保持器20D剥离的功能。图1和2A到2B显示了用于具有相对小长度的带尺的附接装置。根据本发明实施例的标尺附接装置的应用范围,可以使用具有0.5到10m长度的标尺保持器,且优选可以使用具有2到6m长度的标尺保持器。此外,可以针对中央固定块的一侧使用多个标尺保持器,设置成排,在标尺保持器之间设置间隙。
图8示出了适于该实施例的检测头300的光学构造的例子。检测头300的光接收***包括设置在共同光学轴线上的标尺侧透镜320、孔330、检测侧透镜340、和光接收元件阵列350,它们构成两侧远心式光学***(telecentric optical system)。在两侧远心式光学***中,两个透镜320和340设置在孔330的前部和后部,使得来自两个透镜每一个的光在孔330的位置处聚焦。如图8所示,从标尺侧而来的平行光通过透镜320会聚到孔330。经过孔330的光再次通过透镜340准直并随后作为平行光输出。此外,在检测头300中,设置用来自光源的光照射标尺表面的照射光学***(图中未示出)。该照射光学***可以用于与透镜320组合,以用来自光源的光照射标尺表面。如上所述,检测头300被包括在两侧远心式光学***中,其中获得大的聚焦深度。其具有的优势是,在将标尺安装到目标机器时,不需要标尺尤其是沿厚度方向的精确对准。因此,不再需要如常规技术中那样的通过用张力装置施加张力来确保标尺的笔直度以使得沿厚度方向的标尺位移最小化。在根据该实施例的标尺附接装置中,标尺可在没有张紧力的情况下保持,由此扩展了线性编码器的应用范围。
这里,描述了图2A和2B中所示的线性编码器的安装过程。首先,在安装表面SF上成排地设置固定块10的固定基部12和两个标尺保持器20并将它们每一个固定到安装表面SF。将带尺200的端部沿纵向方向从标尺保持器20的一端部***沟槽,以将标尺200装入承装空间。接下来,将保持构件14与固定基部12并排设置,且随后固定保持构件14,以便将在带尺200的沿纵向方向的中心周围的一个边缘部分压到安装表面SF上。通过这种简单的过程完成带尺200的安装。
下文描述实施例的有利效果。
(1)在图2中,对于带尺200,沿纵向方向的中心部分通过固定块10固定,且中心部分的两侧部分仅承装在标尺保持器20中,但是不固定。因此,与将带尺的整个背表面用双面胶带等附接到目标对象比较,根据本发明的实施例使用标尺附接装置100仅固定标尺的中心部分允许随后容易地去除标尺。
(2)标尺附接装置100仅包括固定块10和标尺保持器20,该固定块10将带尺200的沿纵向方向的中心部分固定,该标尺保持器20承装其两侧部分。部件简单且零件数量少。
(3)安装工人将标尺保持器20设置在固定块10的两侧,在标尺保持器20的一侧将带尺200***沟槽22,随后让带尺200经由固定基部12的上表面经过,且在标尺保持器20的另一侧将带尺200***沟槽22。随后,通过保持构件14按压被置于固定基部12上的带尺200的中心部分,以固定标尺200。为了去除带尺200,该过程按相反顺序执行。通过这种简单的过程,安装工作和去除工作均在短时间内实现。
(4)如图6A到6C所示,在承装空间中沿厚度方向的带尺200的间隙(H-Hs)可被确定为等于或小于对于检测头300来说可接受的间隙变化值(间隙公差)。这种构造由于沟槽22的形状而减少所承装标尺沿厚度方向的晃动,以甚至在最大程度上也仅产生其值等于或小于间隙公差值的晃动。检测头300的输出变化减少到很小,由此获得线性编码器的高精度测量。对于沿厚度方向的间隙(H-Hs)最小值,至少确保等于或大于0.01mm的值,由此能确保易于将带尺200***到沟槽22中。
(5)在承装空间40中,带尺200沿纵向方向的运动不被限制。因标尺200的热膨胀造成的位移随距固定块10距离的增加而增加。对于标尺200的热膨胀对输出变化的影响,简单地针对每一种标尺材料向检测头300的输出值提供修正值。对这种热膨胀的修正可在带尺200能沿纵向方向运动到标尺保持器20的状态下准确地实现。
(6)如图1所示,带尺200沿纵向方向的中心部分被固定到安装表面SF。对于绝对线性编码器,标尺的原点通常被确定为中心。根据该构造,标尺200的固定部分和标尺的原点易于匹配,其使得因热膨胀等造成的原点未对准最小化。
(7)如图4所示,通过双面胶带50将标尺保持器20固定到安装表面SF显著减少保持器的厚度。此外,因为双面胶带50在其粘接层中具有弹性,即使在标尺保持器20的背表面或机械装置侧的安装表面SF的表面上仍有一些不规则部分,但是粘接层能吸收不规则部分的影响,由此确保标尺保持器20的平坦度和笔直度。
(8)如图4所示,形成在标尺保持器20的背表面上的背表面凹部26有助于去除在固定双面胶带50时引入的空气泡。
(9)如图8所示,将检测头300的光接收***配置为两侧远心式光学***使得检测头300的间隙公差为相对大的值,由此通过标尺保持器20能容易地减少带尺200的晃动。远心式光学***中的一些检测头对于2mm的间隙具有±0.1mm的间隙公差。在将这一点应用于本发明的实施例时,承装空间40沿标尺保持器20厚度方向的间隙被简单地确定为等于或小于0.2mm的值。因为该间隙具有相对大的值,所以能容易地将标尺***保持器20。
工业适用性
根据本发明实施例的标尺附接装置基于各种类型检测原理(例如光电和电容技术)而应用于增量型或绝对型线性编码器。
附图标记列表
10 固定块(固定构件)
20 标尺保持器(承装构件)
22 沟槽
24 侧表面凹部
26 背表面凹部
40 承装空间
50 双面胶带
52 抗剥离装配件
100 标尺附接装置
200 带尺
300 检测头
320 标尺侧透镜
330 孔
340 检测侧透镜
350 光接收元件阵列。

Claims (5)

1.一种标尺附接装置,用于将用于线性编码器的带尺附接到目标对象,带尺具有厚度Hs,标尺附接装置包括:
固定构件,配置为通过仅将带尺的沿纵向方向的中心部分中的至少一部分压到目标对象上而将带尺的该部分固定;和
承装构件,包括配置为承装带尺的其余部分的沟槽,在沟槽的底表面上设置沿高度方向突出的两行突出部,在底表面的沿宽度方向的两端设置侧壁,在侧壁的每一个上从其上端沿宽度方向朝向内侧形成限制件,承装空间的高度H通过从突出部到限制件的空间表示,其中
承装构件设置为邻近固定构件;
带尺沿纵向方向***到沟槽中,带尺的背表面面对沟槽的底表面,且由此承装在沟槽中;
沟槽的开口的宽度尺寸小于带尺的宽度尺寸;和
在带尺被承装在沟槽内的承装空间中的状态下,沿厚度方向的带尺的间隙值为H-Hs,且该间隙值等于或小于对于线性编码器的检测头来说可接受的间隙变化值,且沿宽度方向的带尺的间隙值等于或大于0.1mm。
2.如权利要求1所述的标尺附接装置,其中
承装构件被设置在固定构件的两侧以承装带尺的两侧部分,且通过双面胶带粘接并固定到目标对象。
3.如权利要求2所述的标尺附接装置,其中在承装构件的背表面上,多个背表面凹部沿沟槽的纵向方向彼此平行地设置。
4.如权利要求1到3中任一项所述的标尺附接装置,其中在承装构件的侧表面上,侧表面凹部沿沟槽的纵向方向设置。
5.一种线性编码器,包括:
带尺,通过根据权利要求1到4中任一项所述的标尺附接装置附接到目标对象;和
检测头,配置为读取带尺上的光栅,其中
检测头构成远心式光学***,检测头包括:
透镜,面对光栅;
孔,设置在透镜的焦点位置上;和
光接收元件阵列,配置为接收经过透镜和孔的被检测光。
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