CN1677048A

CN1677048A - 标尺

Info

Publication number: CN1677048A
Application number: CNA2005100517729A
Authority: CN
Inventors: 普拉卡什·克里希纳·拉特纳帕奇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2005-10-05
Also published as: TW200537074A; US20050206372A1

Abstract

本发明涉及一种标尺。该标尺包括一带有端盖的细长挤出体；一在长度方向上以交替的南极和北极磁化并装配在所述挤出体中的细长线性磁性标尺；一读取头，它包括带有电子信号处理电路的磁阻传感器，并且该读取头以距所述磁性标尺一基本固定距离的关系在所述挤出体中可滑动地安装和导向；以及所述读取头具有用于电源和位移信号的信号端子；其中所述可移动读取头的所述信号端子通过设置在所述挤出体内部的一柔性多芯电缆延伸到所述挤出体的一个固定端。

Description

标尺

技术领域

本发明涉及用于测量位移的标尺和线性换能器。

背景技术

基于光、电感、磁或电容原理的线性标尺已公知很久。图1示意性地示出现有技术的一种线性标尺。通常，这些线性标尺包括安装在一铝质挤出体1中的一带有刻度的细长标尺条3，和一设置在铝质挤出体1中标尺条3前面并可沿标尺条3的长度方向滑动的读取头2。承载有电子信号处理电路的读取头单元2的一部分沿挤出体的长度方向从挤出体中的一缝隙伸出挤出体外，该缝隙由橡胶圈覆盖以便提供环境保护。通常，细长挤出体1安装到机器的一固定部，读取头2则安装到机器的一移动部。

这些线性标尺具有两个主要缺陷。

1、为可靠操作，要求挤出体1和读取头2相对于移动方向以及相对于彼此之间要严格对准，以保持读取头2和标尺条3之间的临界间隙41(数量级为0.1mm或更小)，所以在机器上安装并校准这些标尺非常困难。这些标尺中的临界间隙的需要41还使得它们对温度变化、冲击和振动敏感，因而导致在苛刻的环境下的位移测量不可靠。

2、读取头2上的电子信号处理电路的电源和位移信号通过延伸电缆32传递到位于机器某一侧的一计数器单元40上。因为滑块单元随机器的移动部一起移动，这就需要延伸电缆32要保持富余的长度。这一点使得其非常笨拙，特别是对当这些延伸电缆32的环圈在机器移动过程中干涉到其它机器部件和机械时的较长机器行程来说，由此将导致由延伸电缆32的牵拉或损坏或断裂引起的事故。如果要避免这样的问题，标尺-挤出体1安装在移动部上和读取头2固定在机器的静止部上，这种布置能够容忍测量误差，由于在安装运行较长距离的长标尺中的校准困难，这种布置是不被推荐的。

通常被称为LT的线性换能器也是一种线性测量装置，其用来测量两部件—一个静止另一个移动—之间的位移；例如它通常用在注塑成型机器中，以测量移动台板和静止台板之间的位移。LT还应用于其它一些机器和机构例如压制、剪切、金属剪切机器等中用于类似的用途。

图2示意性地示出现有技术的线性换能器的操作原理。目前所有的这些LT都是基于线性电位计原理，其中一绝缘材料板51均匀地涂覆有电阻材料52，并且使得一电触头或电刷50在其上滑动。这种组件安装在一具有用于环境保护的端盖(未示出)的细长铝制挤出体中。电刷50连接到一从挤出体的一个端盖伸出的移动臂(未示出)上，该电位计的三个电端子延伸到安装在挤出体的另一端盖附近的一连接器(未示出)上。通常，挤出体安装到机器的固定部，而移动臂固定到机器的移动部。一直流输入电压53施加到电阻板53的最端部的端子之间，所测的电刷端子与电阻板的一个端子之间的输出电压信号54与机器移动部相对于机械固定部的位移是成比例的。

尽管在该布置中LT在机器上的安装较容易，并且电位传感器的电连接是可以从LT的固定挤出体利用的并且因而不会与移动的机器元件卷绕到一起，但是这些电位传感器是粗糙的，它们不能提供高分辨率的测量，特别是当电位传感器的长度较长时。还有，由于电刷与电阻板之间的机械接触，两者易于磨损并出现故障。此外，进入挤出体内部的水、冷却剂或油能导致电位传感器损坏或使得位移测量不可靠。

美国专利5570015和6825656及美国专利申请20040036467和20040129095描述了基于磁原理的线性换能器，其中磁传感器安装在换能器的固定部上，磁体则安装在换能器的移动部上。在这些换能器中，虽然电源与信号传输电缆从换能器的固定磁传感器部伸出，这些换能器在它们的行程长度和位移分辨率上仍然受到限制。

发明内容

为了实现一种可靠并且柔性的测量标尺，本发明采用磁性测量技术，以及下面所述的独特新颖的工程技术来实现防止振动、冲击、灰尘或类似物的环境防护，并且在高速重复使用中仍然具有较高的精度，而且对于终端用户来说使用寿命长、易于安装。本发明的标尺主要克服了由于连接到读取头上的延伸电缆以及读取头单元和标尺单元在安装到机器主体时必需的精确对准所引起的问题。所述标尺的新颖结构还带来了更多的益处。

附图说明

图1示意性地示出现有技术的线性标尺；

图2示意性地示出现有技术线性换能器的操作原理；

图3示意性地示出根据本发明第一实施例的标尺的局部截面图；

图4示意性地示出根据本发明的图3中面A-A的截面图；

图5示意性地示出图3中标尺的读取头的详细视图；

图6A示意性地示出图3中标尺的可选安装布置；

图6B所示为从图6A中箭头方向看时的图6A中实施例的视图；

图7示意性地示出图3中标尺的另外一种可选安装布置；

图8所示为本发明用于非线性应用的实施例；

图9所示为图3中标尺的读取头2的可选导向装置；

图10示意性地示出根据本发明另一实施例的标尺的内部视图；

图11A示意性地示出根据本发明又一实施例的标尺的内部视图；以及

图11B示意性地示出在图11A中位置C处的读取头、齿条和小齿轮的布置。

具体实施方式

将参照图3-11来说明本发明。标尺包括

一带有通常用铝做成的起保护作用的作为标尺外罩的端盖12的细长挤出体1，

一在长度方向上以交替的南极S和北极N磁化并装配在所述挤出体1中的细长磁性标尺3；

一密封式读取头2，它包括具有电子信号处理电路26的磁阻传感器25(如AMR或GMR或霍尔效应传感器)，并且该读取头以距所述磁性标尺3一基本固定距离的关系在所述挤出体1内可滑动地安装和导向；及

所述读取头2具有用于电源和位移信号的信号端子。

读取头2可以处于塑料外罩或金属外罩中并可以具有与挤出体的截面设计相配的形状。另外为可靠操作，该读取头2被封装在合适的环氧化合物中，以给于冲击和振动上的保护，以及为其提供象IP67标准那样高水平的气候防护。对于读取头2的容易和自导向移动来说，读取头2设置有低磨损和低摩擦塑料轴承导向块23，该导向块制成与用作挤出体1的导轨16的内部轮廓相配。这些轴承导向块23借助于螺纹件的螺接装配在读取头2的任一侧上，该螺纹件在安装完成之后可拆除或者可保持在适当位置。

在挤出体1的情况下，导向块23是由上面提到的类似材料制成并具有与该挤出体的内部轮廓相配的形状。然而，这些导向块以合适的胶水粘合，这将有助于它们永久地粘合到读取头2的任一侧上。当粘合在恰当位置上时，导向块沿整个长度方向以高精度引导挤出体1中的读取头2单元，在其移动的过程中获得低摩擦。这确保读取头2相对于磁性标尺3恰当对准。所述读取头2运行的最端位置由位于一侧或两侧上的止挡件13所限定。

所述可移动读取头2的信号端子由设置在挤出体1内的一柔性多芯电缆31引出到挤出体1的一个固定端。柔性多芯电缆31被焊接或被经由一连接器连接到读取头2的信号端子上。在一实施例中，一连接器17安装在所述挤出体1的一个固定端附近，所述多芯电缆31的一端直接或者经由一转接器PCB连接到所述连接器17的端子上。

通常，柔性多芯电缆31呈柔性印刷电路板形式。柔性多芯电缆31布置在设置于所述挤出体1内部的一特定凹进空间中，使得在缠绕和退绕工艺期间，电缆31总是在设置于挤出体1内的凹槽中导向。柔性多芯电缆31优选通过夹具或胶水部分地固定在所述挤出体1内。

读取头2借助于导向块23在由所述挤出体1中的凹槽形成并设置有如特氟隆(Teflon)，特克特(Turcite)或改性聚合物等轴承材料的导轨16上可滑动地安装和导向。或者，读取头2通过连接到所述挤出体1并由例如特氟隆、特克特等轴承材料制成的外部轴承元件、线性运动导向件或球轴承而可滑动地安装和导向。在本发明的又一实施例中，读取头2的导向轴承元件23在标尺安装到机器上之后是可拆除的。图9示出用杆作为导轨16且用衬套轴承作为导向件23而引导读取头2的可选方法。

磁性标尺3呈带状、杆状或线状并由磁性材料制成或涂敷有磁性材料。磁性标尺带通常直接粘合到挤出体内部的底面或侧面上。安装磁性标尺带的另一种方法是将其单独地粘合在一可被粘合的金属带上，或者机械地夹在挤出体1的内部。磁性标尺3被以一固定磁距例如0.5mm或1mm或2mm或5mm等以交替的S极和N极磁化。磁阻传感器25以该磁距的10％-80％为间隙面向磁性标尺3设置，与基于光学原理的标尺的情况相比较，该间隙小于临界值。

随着读取头2横移过磁性标尺3，磁阻传感器25检测到磁场的变化并产生由安装在所述读取头2中的电子信号处理电路26进一步处理的模拟位移信号。电子信号处理电路26包括信号调节器和/或信号插补器(interpolator)和/或计数器。电子信号处理电路的信号插补器能够根据预设定将与磁性标尺的一个磁距相对应的模拟位移信号的每一个周期除以一因数5至8000，以便提供非常精确的位移分辨率。传到所述读取头2的端子上的电子信号处理电路26的输出位移信号呈增量脉冲形式或呈0-10伏特或4-20mA的模拟信号或绝对位置形式。在本发明的另一实施例中，在(主)电源出现故障的情况下，电子信号处理电路26设置有一作为备用电源的电池以保留绝对位置信息。

在本发明的第一实施例中，挤出体1呈C形并且所述读取头2的一部分穿过所述C形的开口侧伸出到所述挤出体1的外面。所述C形挤出体1的开口侧由***设置在所述挤出体1内的凹槽中的橡胶圈15密封保护。在本发明的另一实施例中，所述C形挤出体1的开口侧由一固定金属片装置密封保护，该固定金属片***所述读取头2的中央缝隙并覆盖所述C形挤出体1的开口侧。

图3、6、7和9示意性地示出根据本发明的标尺的多种可选安装布置，其中图3示出设置有安装孔11的挤出体1。图6示出设置有用于安装在燕尾槽33上的夹具35的挤出体1，所述燕尾槽经由安装孔34安装在机器主体上。图7示出一种布置，其中挤出体1安装在LM导向件37上，该LM导向件利用垫块39安装在机器主体上。读取头2利用连接块36安装在滑座导瓦38上，以便使读取头2的位移具备方向性。图9示出位于挤出体1上的用于夹具的安装的外部凹槽18。

图8示意性地示出根据本发明的一非线性标尺，其中根据挤出体1的曲线形状，读取头2的位移是非线性的。该标尺用于机械零件的运动是非线性的时候。

图10示意性地示出根据本发明的第二实施例的标尺的内部视图，其中所述读取头2完全封闭在所述挤出体1的内部并且可通过一轴或臂24移动，该轴或臂通过一球形接头22柔性地连接到所述读取头2并穿过所述挤出体1的一个端盖12延伸到所述挤出体1的外部。挤出体1利用经由垫片14安装的端盖12密封以防止灰尘和液体从各个侧面进入，该垫片14密封一个端盖12的所述安装臂24伸出所述挤出体1外的开口。安装臂24能非常容易地安装受引导的标尺。安装臂24在端部还设置有一万向联轴节28，它连接到安装标尺的机器的移动元件上。

图11A示意性地示出根据本发明第三实施例的标尺的内部视图。图11B示意性地示出根据本发明的第三实施例的标尺的位置C处的读取头、齿条和小齿轮布置，其中所述读取头2包括安装在读取头2主体上的一磁性转动编码器62。一小齿轮61安装在磁性转动编码器62的轴63上。一细长齿条60安装在挤出体1的内部，在一齿条和小齿轮型传动布置中，小齿轮61的轮齿与细长齿条60的轮齿相啮合。在这种设置中，在所述挤出体1中可滑动地安装和导向的读取头2的纵向位移转换为编码器轴63的转动运动。磁性转动编码器62是现有技术中的常规编码器，该编码器包括安装在编码器轴63上的一转动磁盘并且被交替的S极和N极磁化。磁阻传感器安装在磁性转动编码器62的壳体内并与所述转动磁盘间隔开一固定距离。磁阻传感器检测磁场的变化，随着编码器轴63转动并产生经由编码器电缆64传送到电子处理电路26的模拟位移信号。电子信号处理电路26包括信号调节器和/或信号插补器和/或计数器。电子信号处理电路26还根据齿条和小齿轮布置的齿轮齿数比换算位移信号并在所述读取头2的端子29上产生输出位移信号。端子29上的信号通过设置在所述挤出体1内部的柔性多芯电缆31传递到安装在所述挤出体1的一端部上的连接器17上。

因此，上文中说明的根据本发明的标尺在以下方面克服了现有技术中的一些缺陷。

●由于读取头2在标尺的挤出体1上稳固地导向并且借助于一臂24与机器的移动部相连接且无任何间隙地与柔性接头相连接，因此能够非常容易地将标尺安装到一机器上。读取头2在机器上严格对准以保持读取头2与标尺单元之间的一特定间隙41是没有必要的，因为这已经在挤出体1中考虑。此外，由于磁性标尺技术，间隙41小于临界值并能够小于几十分之一毫米，这取决于磁性标尺的磁距。这样，标尺较少受温度变化、冲击和振动的影响。

●由于延伸电缆32从标尺的挤出体1上的静止连接器17引出，其中该静止连接器安装在机械单元的固定部上，因此延伸电缆32能够在机器主体上正常地延伸，而没有被机器的运动部缠绕并导致损坏的任何危险。

●由于标尺基于非接触磁性位置检测原理，因此甚至在多尘和多雾的大气中也非常耐用和可靠。

虽然在此已经对优选实施例的部件的结构以及部件之间的结构关系作了相当多的强调，但应理解还能够作出更多的实施例，并且在不脱离本发明原理的情况下还可对优选实施例作出各种变化。优选实施例中的这些或其它以及本发明的其它实施例对本领域的技术人员来说是显而易见的，由此很明显可以理解，上述说明仅仅是用于说明本发明而并非限制本发明。

Claims

1、一种标尺，包括

一带有端盖的细长挤出体；

一在长度方向上以交替的南极和北极磁化并装配在所述挤出体中的细长线性磁性标尺；

一读取头，它包括带有电子信号处理电路的磁阻传感器，并且该读取头以距所述磁性标尺一基本固定距离的关系在所述挤出体中可滑动地安装和导向；以及

所述读取头具有用于电源和位移信号的信号端子；其中所述可移动读取头的所述信号端子通过设置在所述挤出体内部的一柔性多芯电缆延伸到所述挤出体的一个固定端。

2、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，一连接器安装在所述挤出体的一个固定端附近并且所述柔性多芯电缆的一个端部连接到所述连接器的端子上。

3、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述柔性多芯电缆经由一连接器焊接和/或连接到所述读取头信号端子。

4、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述柔性多芯电缆呈一柔性印刷电路板形式。

5、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述柔性多芯电缆布置在设置于所述挤出体内部的一特定凹进空间中。

6、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述柔性多芯电缆通过夹具或胶水部分地固定在所述挤出体内。

7、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述读取头通过特氟纶或特克特或改性聚合物之类的轴承材料在形成于所述挤出体内的凹槽中可滑动地安装和导向。

8、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述读取头通过连接到所述挤出体的由特氟纶或特克特或改性聚合物之类的轴承材料制成的外部轴承元件或线性运动导向件或球轴承而可滑动地安装和导向。

9、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述读取头导向轴承元件是可拆除的。

10、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述读取头运行的端位置由位于一侧或两侧上的止挡件所限定。

11、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述磁性标尺呈由磁性材料制成或涂覆有磁性材料的带状、杆状或线状形式。

12、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，安装在所述读取头中的所述电子信号处理电路包括信号调节器和/或信号插补器和/或计数器。

13、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，位于所述读取头的所述端子上的所述位移信号呈增量脉冲形式。

14、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，位于所述读取头的所述端子上的所述位移信号呈0-10伏特或4-20毫安的模拟信号或绝对位置形式。

15、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述电子信号处理电路配备有作为备用电源的电池。

16、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述挤出体还设置有安装孔或外部凹槽或燕尾槽结构。

17、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述挤出体呈C形，并且所述读取头的一部分穿过所述C形的开口侧伸到所述挤出体的外面。

18、根据权利要求17所述的标尺，其特征在于，所述C形挤出体的所述开口侧由***设置在所述挤出体中的凹槽内的橡胶圈密封保护，并且所述C形挤出体的所述开口侧由穿过所述读取头的一中心缝隙***并覆盖所述C形挤出体的所述开口侧的一固定金属带密封保护。

19、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述读取头完全封闭在所述挤出体内并且通过一杆是可移动的，该杆柔性地连接到所述读取头并穿过所述挤出体的一个端盖伸出到所述挤出体外部。

20、根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述挤出体的所有侧面都是密封的以防止灰尘和液体进入，包括所述杆伸出到所述挤出体外的所述端盖。