DE10329375B4

DE10329375B4 - Abtastbaueinheit einer Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE10329375B4
Application number: DE10329375.2A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bernhard (FH) Falkinger; Dipl.-Ing. Horst (FH) Gschossmann; Dr. Tondorf Sebastian
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: DE10329375A1

Abstract

Abtastbaueinheit einer Positionsmesseinrichtung zur lichtelektrischen Abtastung eines Maßstabes (1), aufweisend eine Lichtquelle (6), eine Detektoreinheit (15) und eine im Strahlengang zwischen Lichtquelle (6) und Detektoreinheit (15) an einem Halter (5) befestigte Abtastplatte (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (8) gegenüberliegende Längskanten (83, 84) aufweist und in einer Schiebeführung (80) des Halters (5) mittels elastisch nachgiebiger Führungselemente (81, 82) am Halter (5) klemmend positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastbaueinheit einer Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
In der US 4,593,194 ist eine gattungsgemäße Abtastbaueinheit zur lichtelektrischen Abtastung eines Maßstabes beschrieben. Die Abtastbaueinheit besteht aus einem Halter, an dem eine Lichtquelle, eine Linse, eine Abtastplatte sowie ein Detektorarray zueinander ausgerichtet befestigt sind. Die Abtastplatte ist dabei auf einer Fläche auf Klebepads aufgeklebt. Der zwischen Auflagefläche und Abtastplatte erforderliche und vor dem Fügeprozess aufzubringende Klebstoff kann eine Dejustierung der Abtastplatte bewirken.
Die EP 0 120 205 A2 offenbart eine Längenmesseinrichtung mit einer Halterung eines Maßstabs in einer Nut bzw. Führungsschiene als Alternative zu einer Klebeverbindung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abtastbaueinheit zu schaffen, bei der die Abtastplatte einfach und definiert ausgerichtet befestigbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Abtastbaueinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Vorteile sowie Details der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figuren angegeben.
Es zeigt

1 eine Explosionsdarstellung einer Längenmesseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Abtastbaueinheit;
2 die Längenmesseinrichtung gemäß 1 im zusammengebauten Zustand im Längsschnitt;
3 den Bereich der Abtastbaueinheit der Längenmesseinrichtung in Draufsicht;
4 den Halter der Abtastbaueinheit im Längsschnitt vergrößert dargestellt;
5 den Halter der Abtastbaueinheit im Querschnitt vergrößert dargestellt;
6 eine erste perspektivische Ansicht des Halters;
7 eine zweite perspektivische Ansicht des Halters,
8 eine dritte perspektivische Ansicht des Halters und
9 eine Abtastplatte.

Die Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand einer Längenmesseinrichtung, die Erfindung ist aber auch bei einer Winkelmesseinrichtung analog einsetzbar.
1 zeigt eine räumliche Explosionsdarstellung der erfindungsgemäß ausgestalteten Längenmesseinrichtung und 2 zeigt diese Längenmesseinrichtung im zusammengebauten Zustand. Diese Längenmesseinrichtung umfasst einen linearen Maßstab 1 mit einer Messteilung 101 sowie eine zur Positionsmessung relativ zum Maßstab 1 in Messrichtung X verschiebbare Abtastbaueinheit 2. Bei der Relativverschiebung tastet die Abtastbaueinheit 2 den Maßstab 1 lichtelektrisch in bekannter Weise ab und erzeugt positionsabhängige elektrische Abtastsignale zur Positionierung zweier zueinander verschiebbarer Bauteile, wobei die Bauteile, an denen die Längenmesseinrichtung angebaut ist, beliebiger Art sein können, es können beispielsweise Bauteile einer Werkzeugmaschine, eines Elektromotors oder eines lithografischen Apparates sein. Dabei kann die Messteilung 101 ein inkrementales oder ein ein- oder mehrspuriges absolut codiertes Muster sein.
Zur exakten Positionsmessung ist es erforderlich, dass die Abtastbaueinheit 2 die Messteilung 101 des Maßstabs 1 in einem festgelegten konstanten Abtastabstand A abtastet. Um dies zu gewährleisten ist die Abtastbaueinheit 2 über Gleitelemente oder Rollelemente 31 in bekannter Weise am Maßstab 1 selbst oder auf einem Träger des Maßstabs 1 exakt parallel zum Maßstab 1 in Messrichtung X geführt.
Die Abtasteinheit 2 besteht aus einem Träger 3 mit einer Ausnehmung 4 zur justierbaren Aufnahme eines Halters 5. An dem Halter 5 sind zueinander ausgerichtet montiert eine Lichtquelle 6, eine Linse 7 als Strahlformungseinrichtung und eine Abtastplatte 8. Zur automatisierten Montage der Lichtquelle 6 ist diese in eine Fassung 9 einschnappbar, die wiederum am Halter 5 befestigt ist. Anstelle einer Linse 7 kann auch eine Strahlformungseinrichtung in Form eines Linsenarrays oder einer Fresnellinse eingesetzt werden.
Oberflächen 10, 11 der Ausnehmung 4 bilden eine Führung, an der der Halter 5 in Richtung des Abtastabstandes A - also senkrecht zur Ebene E der abzutastenden Messteilung 101 - gleitend verschiebbar ist. Eine dieser Führungsflächen 10 ist eine Zylinderfläche, die einerseits parallel zur Richtung des Abtastabstandes A verläuft und andererseits kreisbogenförmig gekrümmt ist, wobei die Achse des Kreisbogens parallel in Richtung des Abtastabstandes A verläuft. An dieser Führungsfläche 10 des Trägers 3 liegt eine korrespondierend gekrümmte Oberfläche 12 des Halters 5 an. Diese Oberfläche 12 ist eine konvex gekrümmte Zylinderfläche mit einem Krümmungsradius entsprechend der Führungsfläche 10, wie in 7 vergrößert dargestellt ist.
Zum spielfreien Aneinanderdrängen der Oberfläche 12 des Halters 5 an die Führungsfläche 10 des Trägers 3 ist der gekrümmten zylindrischen Oberfläche 12 gegenüberliegend am Halter 5 ein Federelement 13 angeordnet (8). Dieses Federelement 13 ist eine am Halter 5 angeformte federnde Zunge mit einem daran angeformten kugelförmigen Vorsprung 14 zur federnden Abstützung an einer weiteren Führungsfläche 11 der Ausnehmung 4 des Trägers 3. Diese weitere Führungsfläche 11 ist eine V- oder U-förmige Rille 11, die in Richtung des Abtastabstandes A verläuft und eine Linearführung für den Vorsprung 14 bildet. Der Vorsprung 14 ist somit ein Führungselement für den Halter 5.
Der Halter 5 ist auch zur Justierung der Winkellage relativ zum Maßstab 1 ausgebildet, indem er in der Ausnehmung allseitig, also um alle drei Drehachsen drehbar ist. Die Justierung des Moire-Winkels, also die Verdrehung des Halters 5 in einer Ebene parallel zur Ebene E und um eine Drehachse D1 parallel zum Abtastabstand A verlaufend ist im dargestellten Ausführungsbeispiel besonders exakt möglich. Dabei wird die in 9 dargestellte Abtastteilung 801 der Abtastplatte 8 zur Messteilung 101 ausgerichtet. Die Drehachse D1 geht durch den Mittelpunkt des kugelförmigen Vorsprungs 14 und ist von der optischen Achse O der Linse 7 entfernt angeordnet, wodurch eine Untersetzung der Schwenkbewegung erreicht wird. Der Krümmungsradius des Kreisbogens der Führungsfläche 10 des Trägers 3 ist somit größer als der Abstand zwischen der optischen Achse O und dieser Führungsfläche 10. Der Krümmungsradius der Oberfläche 12 entspricht zumindest weitgehend dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Vorsprungs 14 und der Führungsfläche 10 am Träger 3. Die Oberfläche 12 ist zumindest in der dargestellten Weise gekrümmt, sie kann aber zusätzlich auch in anderen Richtungen gekrümmt sein, insbesondere eine Kugeloberfläche mit einem Radius entsprechend dem Abstand zur Drehachse D1 aufweisen. Abweichungen von diesem Soll-Radius sind aber unkritisch, da durch das Federelement 13 einerseits gewährleistet ist, dass der Vorsprung 14 mit der Rille 11 vorgespannt in Kontakt bleibt und andererseits die gekrümmte Oberfläche 12 mit der Führungsfläche 10 zumindest partiell in Kontakt bleibt.
Der Halter 5 berührt somit in jeder Justierstellung den Träger 3 innerhalb der Ausnehmung 4 an mehreren Punkten 111, 112, 113. Diese Punkte 111, 112, 113 ermöglichen nach erfolgter Justierung eine kräftefreie und trotzdem stabile Festlegung bzw. Fixierung des Halters 5 am Träger 3 durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere Löten, Kleben oder durch Verschweißen. Beim Kleben ist gewährleistet, dass keine oder nur geringe Klebespalte entstehen, dies hat den Vorteil, dass das den Klebstoffen innehabende Quellen keine Dejustierung verursachen kann. Das Verschweißen bzw. Verschmelzen ist besonders vorteilhaft einsetzbar insbesondere das Schweißen mit einem Laserstrahl, wenn der Halter 5 und der Träger 3 aus Kunststoff, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Polycarbonat bestehen.
Wie bereits erläutert, berührt der Halter 5 den Träger 3 in der Ausnehmung 4 in jeder Justierstellung an mehreren Punkten 111, 112, 113. Diese Punkte 111, 112, 113 sind vorteilhafterweise über den Umfang der Ausnehmung 4 räumlich verteilt, wie in 3 dargestellt ist. Der Begriff Punkt schließt Linien sowie Flächenbereiche mit ein, so dass die stoffschlüssige Verbindung an voneinander beabstandeten Flächenbereichen 111, 112, 113 erfolgt.
Die erläuterte Justierung des Halters 5 in der Ausnehmung 4 des Trägers 3 erfolgt insbesondere dadurch, dass der Halter 5 Angriffsflächen 90 für ein Justierwerkzeug aufweist, an denen das Werkzeug angreift. Das Justierwerkzeug ist insbesondere ein in Abhängigkeit der momentanen Abtastsignale der Detektoreinheit 15 gesteuerter Manipulator (Roboter), der den Halter 5 an den Angriffsflächen 90 umgreift. Hierzu ragen die Angriffsflächen 90 aus der Ausnehmung 4 des Trägers 3 hervor.
Beim dargestellten Beispiel ist am Träger 3 eine Detektoreinheit 15 befestigt. Diese Detektoreinheit 15 kann eine Leiterplatte mit Photoempfängern sein. Die Detektoreinheit 15 kann in nicht dargestellter Weise auch am Halter 5 montiert sein.
Wie insbesondere in 5 ersichtlich ist, die den Querschnitt des Halters 5 zeigt, ist die Abtastplatte 8 in eine Schiebeführung 80 des Halters 5 in Messrichtung X eingeschoben und wird somit in der Schiebeführung 80 klemmend positioniert. Die Schiebeführung 80 wird von den beiden gegenüberliegenden Längskanten 83, 84 der Abtastplatte 8 umgreifenden Stegen 81, 82 gebildet. Die Stege 81, 82 sind einstückig an den aus Kunststoff gefertigten Halter 5 angeformt und bilden elastisch nachgiebige Führungselemente, mit denen die Abtastplatte 8 beim Einschieben geführt wird und welche die Abtastplatte 8 klemmend am Halter 5 quer zur Schieberichtung X positionieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Längskanten 83, 84 der Abtastplatte 8 gegensinnig geneigt sind und die Stege 81, 82 elastisch an diesen geneigten Längskanten 83, 84 anliegen. Die Stege 81, 82 klemmen somit einerseits die Abtastplatte 8 zentriert und andererseits bewirken sie eine Klemm- bzw. Haltekraft in Richtung einer Auflagefläche 85, so dass die Abtastplatte 8 an einer vom Halter 5 vorgegebenen Ebene 85 definiert ausgerichtet ist. Die Stege 81, 82 bilden einen Klemmsitz, wobei die Klemmkräfte in zwei rechtwinkelig zueinander stehenden Richtungen, rechtwinkelig zur Schieberichtung X auf die Abtastplatte 8 wirken, erreicht wird dies, indem die Abtastplatte 8 mit Übermaß gefertigt wird und dadurch beim Einschieben in die Schiebeführung 80 die Stege 81, 82 nach außen elastisch verformt werden und somit eine unmittelbar auf die Abtastplatte 8 wirkende Spreizverbindung bilden.
Die definierte Positionierung der Abtastplatte 8 in Schieberichtung X wird durch einen am Halter 5 ausgebildeten Anschlag 86 (4) gewährleistet.
Zur Sicherung ist in vorteilhafter Weise die Abtastplatte 8 zusätzlich am Halter 5 durch Kleben fixiert. Hierzu sind in der Auflagefläche 85 des Halters 5 vertieft angeordnete Klebetachen 88 eingebracht, die vor dem Einschieben der Abtastplatte 8 in die Schiebeführung 80 mit UV-härtbarem Klebstoff aufgefüllt werden. Nach dem Einschieben der Abtastplatte 8 wird dieser Klebstoff durch die Abtastplatte 8 hindurch mittels UV-Licht gehärtet. Indem die elastischen Stege 81, 82 die Abtastplatte 8 an die Auflagefläche 85 drängen, ist trotz Verwendung von Klebstoff gewährleistet, dass dieser keine Dejustierung hervorruft.
Die geneigten Längskanten 83, 84 der Abtastplatte 8 sind besonders einfach herstellbar, indem die Abtastplatte 8 aus einem Nutzen mit einer V-förmigen Schneide herausgesägt bzw. geschliffen wird, wie bei der Wafer-Herstellung bekannt. Der Schneidenwinkel des Schneidwerkzeugs bestimmt dabei den Neigungswinkel der Längskanten 83, 84 der Abtastplatte 8. Dabei besteht die Abtastplatte 8 aus Glas oder Quarz.

Claims

Abtastbaueinheit einer Positionsmesseinrichtung zur lichtelektrischen Abtastung eines Maßstabes (1), aufweisend eine Lichtquelle (6), eine Detektoreinheit (15) und eine im Strahlengang zwischen Lichtquelle (6) und Detektoreinheit (15) an einem Halter (5) befestigte Abtastplatte (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (8) gegenüberliegende Längskanten (83, 84) aufweist und in einer Schiebeführung (80) des Halters (5) mittels elastisch nachgiebiger Führungselemente (81, 82) am Halter (5) klemmend positioniert ist.
Abtastbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (5) aus Kunststoff besteht, und dass die Führungselemente (81, 82) an den Halter (5) einstückig angeformt sind.
Abtastbaueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (81, 82) die Abtastplatte (8) an den gegenüberliegenden Längskanten (83, 84) umgreifende Stege (81, 82) sind, welche die Abtastplatte (8) einerseits zentriert klemmen und andererseits an eine Auflagefläche (85) des Halters (5) drängen.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Längskanten (83, 84) der Abtastplatte (8) gegensinnig geneigt sind, und dass die Führungselemente (81, 82) elastisch an diesen Längskanten (83, 84) anliegen.
Abtastbaueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (8) aus Glas besteht.
Abtastbaueinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (5) mit der Abtastplatte (8), der Lichtquelle (6) sowie einer Linse (7) eine Baueinheit bildet, die in einer Ausnehmung (4) eines Trägers (3) relativ zum Maßstab (1) justierbar gelagert ist.