编码器标尺构件以及安装方法 技术领域 本发明涉及一种供坐标定位设备使用的编码器标尺构件以及用于将所述编码器 标尺构件安装至坐标定位设备的方法。具体地说， 本发明涉及一种能够保持在坐标定位设 备的运动引导件和安装表面之间的编码器保持构件。
背景技术 诸如机床、 坐标测量机器、 单轴测量装置或机械操纵或处理系统之类的坐标定位 设备具有至少两个可沿着或围绕至少一个轴线相对于彼此运动的部件。 坐标定位设备包括 用于检测或测量物体的位置的设备。对于机床和坐标测量机器来说， 所述部件相对于彼此 运动所沿的轴线通常平行于机器的笛卡尔坐标轴中的一个轴， 例如 X、 Y 或 Z。度量标尺读 取设备可以用于测量一个部件相对于另一个部件的位移。 这些度量标尺读取设备包括固定 于其中一个部件的标尺和设置在另一个部件上的读取头， 所述标尺具有沿着其长度限定图 案的标度标记 (scale marking)。
通常， 通过引导组件来促进坐标定位设备的一个部件相对于另一个部件的运动。 这种引导组件包括螺栓连接至安装表面的导轨和支撑在该导轨上的引导托架。 其中所述安 装表面是固定的， 所述引导托架可沿着导轨的长度运动， 因而能够相对于固定的安装表面 运动。 另选的是， 其中所述安装表面是可运动的， 固定至所述安装表面的导轨能够相对于固 定的引导托架运动。如在 EP1752851 中公开的， 已知在导轨的侧表面上安装有源磁性标尺 并且在支撑于所述导轨上并且可相对于所述导轨运动的引导托架上安装读取头。 当标尺在 读取头之上经过时读取头感测标尺以测量引导托架相对于所述导轨的位移。从 EP0479974 中还已知， 将标尺安装至导轨的顶表面并且提供读取头， 该读取头安装在位于相应的引导 托架上的标尺的上方。
发明内容
根据本发明的第一方面， 提供了一种坐标定位设备， 所述坐标定位设备包括 ：
安装表面 ；
可安装在所述安装表面上的运动引导件 ；
包括用于感测标度标记的传感器的第一构件， 所述第一构件可安装在所述运动引 导件上 ； 以及
编码器标尺构件， 所述编码器标尺构件包括第一组标度标记， 所述第一组标度标 记在使用中可由所述传感器感测 ；
其中所述编码器标尺构件的至少一部分保持在所述安装表面和所述运动引导件 之间， 使得所述编码器标尺构件至少在所述第一组标度标记附近由所述安装表面支撑。
因而， 本发明提供了一种改进的坐标定位设备。所述编码器标尺构件能够容易地 重新装配在现有的运动引导件和安装表面之间， 或能够容易地替换， 而不会影响所述运动 引导件和第一构件的相对运动。所述安装表面是可以安装所述运动引导件的表面。 所述安装表面可以是坐标定位 设备的床身， 诸如机床的床身或坐标测量机器的床身。这种安装表面能够支撑工件和其他 负载。
可安装在所述安装表面上的所述运动引导件可以附接至所述安装表面。 可安装在 所述安装表面上的所述运动引导件可以固定至所述安装表面， 例如利用诸如螺栓之类的安 装固定装置固定至所述安装表面。所述运动引导件可以是线性、 弯曲或圆形的构件。所述 运动引导件可以是导轨。线性导轨在 EP1752851 中描述， 通过参考将该文献并入本文。所 述运动引导件可以是诸如滚珠轴承组件、 平面轴承或辊子轴承之类的轴承组件。其他类型 的轴承对本领域技术人员来说是已知的。
优选的是， 所述运动引导件具有平面安装表面， 该表面用于定位在所述坐标定位 设备的所述安装表面。
方便的是， 所述第一构件可沿着或围绕所述运动引导件运动。至少一个辊子或滚 珠轴承可以设置在所述运动引导件和所述第一构件之间， 以便于所述第一构件相对于所述 运动引导件运动。可以设置其他装置以便于所述第一构件相对于所述运动引导件的运动。 在所述运动引导件是轴承的情况下， 所述轴承可以包括可动部分和固定部分。所述可动部 分可相对于所述固定部分运动。 所述固定部分和所述可动部分中的一个可以安装至所述安 装表面或可附接至所述安装表面。 所述第一构件可以安装至所述轴承的所述固定部分和或 可动部分中的另一个上。 所述轴承因而使得所述第一构件能够相对于所述轴承的所述固定 部分或可动部分中的一个运动。优选的是， 所述轴承的所述可动部分可安装在所述安装表 面上， 或可附接至所述安装表面， 并且所述第一构件可安装在所述轴承的所述固定部分上。 通过保持所述第一构件固定， 避免在传感器运动的同时向传感器供给电能的问题。 这样， 所述第一构件上的所述传感器在被安装在所述运动引导件上时， 所述传感 器以及所述标尺构件上的所述第一组标度标记能够相对于彼此运动。 因而能够确定所述第 一构件相对于所述运动引导件的位置， 进而能够确定所述第一构件相对于所述安装表面的 位置。
导轨可以是实心轨， 所述实心轨具有设置在该实心轨的任意侧上的凹槽。所述凹 槽可以接收用于支撑所述第一构件的辊子或滚珠。所述第一构件可以是托架。所述托架可 以在所述辊子或滚珠上相对于所述导轨运动。
所述编码器标尺构件可以是包括第一组标度标记的细长柔性构件。 所述编码器标 尺构件可以是线性、 弯曲或圆形的。
在所述编码器标尺构件由所述安装表面支撑的情况下， 所述编码器标尺构件能够 与所述安装表面接触。另选的是， 所述编码器标尺构件可以经由中间构件支撑在所述安装 表面上。在这种情况下， 所述编码器标尺构件不需要与所述安装表面直接接触。
在所述编码器标尺构件至少在所述第一组标度标记附近由所述安装表面支撑的 情况下， 所述标尺构件可以在所述编码器标尺构件中或所述编码器标尺构件上设置所述第 一组标度标记的部分附近的位置支撑在所述安装表面上。例如， 所述编码器标尺构件可以 通过所述编码器标尺构件的与所述编码器标尺构件中或所述编码器标尺构件上设置所述 第一组标度标记的表面相对或直接相对的表面而支撑在所述安装表面上。另选的是， 所述 编码器标尺构件可以在所述编码器标尺构件的与所述编码器构件中或所述编码器标尺构
件上设置所述第一组标度标记的部分相邻的部分上支撑在所述安装表面上。 通过支撑所述 编码器标尺构件， 所述安装表面可以防止所述标尺构件在所述标度标记的区域中由于重力 或其他因素而变形。 所述安装表面可以在所述标尺构件和所述安装表面呈任何相对取向时 支撑所述标尺构件， 例如可以在所述标尺构件铺设在所述安装表面的顶部上或所述标尺构 件铺设在所述安装表面下面时支撑所述标尺构件。
所述编码器标尺构件可以仅通过所述运动引导件而保持在所述安装表面和所述 运动引导件之间。 所述编码器标尺构件可以通过安装固定装置保持在所述安装表面和所述 运动引导件之间。 所述运动引导件可以设置有至少一个安装固定装置以帮助所述编码器标 尺构件保持在所述安装表面和所述运动引导件之间。另选的是， 所述编码器标尺构件可以 通过所述运动引导件与至少一个单独的安装固定装置保持在所述安装表面和所述运动引 导件之间。 所述编码器标尺构件可以沿着所述编码器标尺构件的第一边缘部分保持在所述 安装表面和所述运动引导件之间。 所述编码器标尺构件的第二边缘部分可以通过至少一个 另外的安装固定装置 ( 诸如夹子 (clip) 或夹板 (clamp)) 保持。所述夹子或夹板可以附接 至所述坐标定位设备的所述安装表面。
所述编码器标尺构件可以包括另外的标度标记。 当所述编码器标尺构件保持在所 述安装表面和所述运动引导件之间使得所述编码器标尺构件至少在所述第一组标度标记 附近由所述安装表面支撑时， 所述另外的标度标记也可以由所述传感器感测。这里包括的 所述第一组标度标记的描述可以适用于设置在所述编码器标尺构件上的任何另外的标度 标记。 所述编码器标尺构件可以包括至少一个安装特征， 使得所述编码器标尺构件能够 被安装至所述坐标定位机器的所述安装表面。 所述至少一个安装特征可以包括至少一个安 装孔。所述编码器标尺构件的所述至少一个安装特征可以包括至少一个安装槽。另外， 所 述运动引导件可以包括至少一个安装特征。
方便的是， 所述编码器标尺构件和所述运动引导件中的每一个上都可以设置至少 一个安装特征。有利的是， 所述编码器标尺构件上的任何安装特征都可以设置在与所述运 动引导件上的任何安装特征对应的位置。 在所述编码器标尺构件和所述运动引导件中的每 个上都存在多于一个的安装特征的情况下， 所述编码器标尺构件和所述运动引导件中的每 个上的所述安装特征可以以对应的距离间隔开。更方便的是， 所述安装表面也可以设置有 定位成与所述编码器标尺构件和所述运动引导件上的所述安装特征对应的位置处的至少 一个安装特征。 所述安装表面可以设置有间隔成与所述编码器标尺构件和所述运动引导件 中的每个上的多于一个的安装特征对应的多于一个的安装特征。 这些特征在所述运动引导 件是导轨的情况下尤其方便。
有利的是， 设置有至少一个附接部件。 优选的是， 所述至少一个附接部件可与所述 编码器标尺构件上的所述至少一个安装特征和所述运动引导件上的所述至少一个安装特 征相协作， 以将所述编码器标尺构件和所述运动引导件固定至所述坐标定位设备的所述安 装表面。
所述至少一个附接部件可以包括例如安装螺栓、 帽螺钉或其他安装固定装置。在 所述编码器标尺构件的所述至少一个安装特征包括至少一个安装槽的情况下， 每个槽的形 状和尺寸都可以设置为围绕每个附接部件定位， 使得所述编码器标尺构件可以重新装配在
运动引导件和安装表面之间， 而无需完全从所述安装表面移除所述运动引导件。这在所述 运动引导件是导轨的情况下是特别有用的。
所述编码器标尺构件可以具有相反的第一表面和第二表面。有利的是， 所述第一 表面由所述安装表面支撑， 并且所述第二表面的至少一部分接触所述运动引导件。所述第 一表面和第二表面不必完全都分别与所述坐标定位设备的所述安装表面和所述运动引导 件接触。 实际上， 所述编码器标尺可以分成两个部分， 即在使用时直接位于所述安装表面和 所述运动引导件之间的第一部分和在使用时从所述运动引导件下面伸出的部分。
所述第一表面可以基本平行于所述第二表面。在这种情况下， 所述编码器标 尺构件的厚度可以是基本上均匀的。所述第一表面和第二表面可以在任何平面中会聚 (converge) 或发散 (diverge)。
优选的是， 所述第一组标度标记设置在所述编码器标尺构件的至少所述第二表面 上。具体地说， 所述第一组标度标记可以设置在所述第二表面的在使用时不与所述运动引 导件接触的部分上。在这种情况下， 所述编码器标尺构件的在该编码器标尺构件中或该编 码器标尺构件上形成所述第一组标度标记的所述部分可以在保持于坐标定位设备的所述 运动引导件和所述安装表面之间时从所述运动引导件和所述安装表面之间伸出。 所述传感器安装至所述第一构件， 所述第一构件又可以安装至所述运动引导件。 所述传感器可以定位在远离所述编码器标尺构件的所述第二表面固定距离的位置处， 因而 可以定位在远离所述第一组标度标记固定距离的位置处。 当所述安装表面为基本平面表面 ( 即所述表面可能局部偏离， 例如在所述表面中具有凹陷， 但总体上保留了平面几何形状 ) 并且具有已知位置时， 所述编码器标尺构件在被安装至所述安装表面上时其基本上均匀的 厚度可以导致所述编码器标尺构件的所述第二表面具有已知位置。 因而可以获知所述第一 组标出标记相对于所述安装表面的位置。在所述运动引导件具有已知尺寸的情况下， 当所 述运动引导件安装在所述编码器标尺构件上时， 可以相对于所述第一组标度标记确定所述 运动引导件的位置以及第一构件和被支撑在该第一构件上的传感器的位置。 支撑在所述第 一构件上的传感器和运动引导件的位置因而能够被精确地限定在距离所述编码器标尺构 件基本恒定的距离处， 并因而限定在距离所述第一组标度标记基本恒定的距离处。所述传 感器可以尽可能接近所述第一组标度标记地安装， 而不会有在其沿着所述第一组标度标记 运动时碰到所述第一组标度标记或编码器标尺构件的危险。 接近所述第一组标度标记的能 力能够允许利用所述传感器通过感测第一组标度标记获得更大的测量值范围， 这能够使得 所获得的测量数据精度增加。所述传感器优选是用于读取编码器标度标记的编码器读取 头。
优选的是， 所述编码器标尺构件足够薄， 使得所述安装表面作为其母板， 即所述编 码器标尺构件遵从所述安装表面的形式。方便的是， 所述编码器标尺构件基本上比所述安 装表面和所述运动引导件具有更大的柔性。 所述编码器标尺构件的厚度可以小于 1cm， 所述 编码器标尺构件的厚度可以小于 0.5cm。 然而， 应理解的是， 根据应用的尺寸大小， 所述编码 器标尺构件可以厚于 1cm。 所述编码器标尺构件可以呈条带形式或磁带形式， 其中具有磁带 形式的标尺可以比具有条带形式的标尺薄。
所述编码器标尺构件可以具有第三表面和第四表面。 所述表面优选基本垂直于所 述第一表面和第二表面 ； 然而， 它们不必必须如此。 所述第三表面和第四表面相对于所述编
码器标尺构件的所述第一表面或第二表面可以呈锐角或钝角。 所述第三表面和第四表面可 以会聚或发散。可以设置另外的表面。
所述第三表面和第四表面可以例如沿着线性标尺的长度或沿着弯曲或旋转标尺 的路径延伸。 所述第一组标度标记可以设置在所述第三表面和第四表面中的至少一个表面 上。 在这种情况下， 当所述编码器标尺构件安装在所述安装表面和所述运动引导件之间时， 所述第一组标度标记可以设置在基本垂直于所述安装表面的表面上。这里， 即使所述编码 器标尺构件的宽度小于或基本等于所述运动引导件的宽度而使得所述运动引导件接触所 述第二表面的整个宽度， 所述第一组标度标记也定位成使得该第一组标度标记能够由支撑 在第一构件上的传感器感测到， 所述第一构件又支撑在所述运动引导件上。
优选的是， 所述第一组标度标记可以直接形成在所述编码器标尺构件中或所述编 码器标尺构件上。 所述第一组标度标记例如可以通过从所述编码器标尺构件中蚀刻出材料 而形成在所述编码器标尺构件中。 所述编码器标尺构件可以包括位于所述第一组标度标记 上的涂层。这种涂层例如可以是陶瓷涂层。任何涂层都可以遵循所述第一组标度标记的形 式， 或可以另选地进行整平， 从而在所述第一组标度标记上提供基本平坦的表面。
所述第一组标度标记可以形成在所述编码器标尺构件上， 例如在所述编码器标尺 构件上的选定位置增加材料而形成在所述编码器标尺构件上。
优选的是， 所述编码器标尺构件具有用于抵靠所述安装表面上的边缘或所述运动 引导件上的边缘对齐所述标尺的基准边缘。所述基准边缘不必具有连续边缘。所述基准边 缘可以通过沿着所述编码器标尺构件的边缘间隔开的基准特征来提供， 由于不必精确地机 加工整个边缘， 因此这可以使得更容易提供基准边缘， 以抵靠所述基准边缘将所述标尺对 齐。
优选的是， 所述第一组标度标记相对于所述基准边缘形成在所述编码器标尺构件 中或所述编码器标尺构件上。 更优选的是， 所述第一组标度标记垂直于所述基准边缘形成， 并且布置在平行于所述基准边缘的方向上。
所述第一组标度标记可以布置成形成至少一条标尺轨道。 另外的标度标记可以包 含在所述至少一条标尺轨道内。另选的是， 所述第一组标度标记可以设置在待由传感器感 测的任何其他标记布置中。在所述第一组标度标记布置成形成至少一条标尺轨道的情况 下， 所述标尺轨道优选平行于所述编码器标尺构件的所述基准边缘延伸。
标尺轨道提供了能够由相关的传感器读取或感测的位置信息。 所述第一组标度标 记可以在被相关传感器读取或感测时提供例如绝对位置信息或增量位置信息。 所述第一组 标度标记可以布置成形成多条标尺轨道， 例如多条绝对的、 增量的或参考的标记轨道， 或者 各种标尺轨道的任何混合形式。增量式标尺的标度标记以周期性图案设置， 以及读取头增 量式标度标记提供向上和向下计数 (up and down count) 输出。这种标尺可以附加设置参 考标记， 在被读取头检测时， 所述参考标记能够确定读取头的精确位置。 所述参考标记可以 设置在与增量式标度标记相同的标尺轨道中， 或设置在单独的标尺轨道中。绝对式标度标 记提供绝对编码标记， 所述绝对编码标记使得读取头能够确定其在标尺上的任何位置的绝 对位置。
所述第一组标度标记优选是磁性标度标记。 这种磁性标度标记例如可以是无源磁 性标度标记或有源磁性标度标记。 无源磁性标度标记通常通过在磁性材料中形成凹槽来提供。 当所述传感器设置在所述编码器标尺构件上方的固定高度并且标度标记凹入编码器标 尺构件中时， 所述传感器和所述磁性材料之间的距离对于不同的标度标记来说是不同的。 当所述磁性材料和所述传感器之间的距离改变时， 磁路的磁阻也变化， 使得由所述传感器 测量的磁场强度随着所述传感器在不同的标度标记之上运动而变化。 无源磁性标度标记可 以通过在所述编码器标尺构件上增加材料而不是凹入编码器标尺构件来形成。 可以使用在 所述传感器在不同标记上运动时导致由所述传感器测量的磁性强度发生变化的任何形式 的无源磁性标记。
所述传感器可以包括至少一个巨磁电阻传感器 (GMR 传感器 )、 至少一个各向异性 磁电阻传感器 (AMR 传感器 ) 或至少一个霍尔传感器 (Hall sensor)。有利的是， 所述传感 器包括至少一个霍尔传感器。所述传感器可以进一步包括永磁体。提供永磁体允许所述传 感器感测无源磁性标度标记。
当所述传感器沿着所述标度标记运动时， 该传感器根据检测到的标尺的磁性特征 而输出正弦和余弦信号。 可以对这些信号进行插值以确定所述传感器相对于所述标尺的运 动。
在有源磁性标度标记的情况下， 所述标记例如利用交替的 N 和 S 磁化作用而被磁 化。在用于感测有源磁性标度标记的传感器中无需任何磁体。 无源磁性标度标记可能比其他类型的标度标记更耐用， 因而无源磁性标尺在肮脏 的机床环境中是特别有利的。 无源磁性标度标记与磁性标尺读取设备一起能够在诸如多灰 尘的、 肮脏的、 油污的和有害的应用之类的不利环境中输出可靠的读数。
所述第一组标度标记可以另选地包括光学标度标记， 例如幅度或相位标度标记。 幅度标度标记的标度图案可以由两种不同类型的区段组成， 第一类型的区段将入射光反射 到所述读取头， 并且第二类型的区段不这样。 相反， 不同的相位标度标记可以在所述读取头 处被检测到时以不同相位将光线反射。 用于读取光学标度标记的读取头设置有用于照明所 述标度的光源例如发光二极管 (L.E.D.)， 而响应于所得到的光图案的检测产生所述标度和 读取头的相对位置的测量。所述编码器标尺可以另选地包括电容式标度或感应式标度。
所述传感器可以适合于供 WO 02/25219 中描述的液体支撑件使用。所述标度标记 和传感器可以借助于液体进行相互光学通信。 所述标尺和传感器都可以适合于供所述标尺 和传感器之间的液体使用。 所述标尺和传感器在各自的相对运动过程中可以由液体薄膜分 离开。
所述传感器可以包括透明窗口， 在所述透明窗口上可以形成格栅。所述标尺可以 是细长的并具有大致平坦的表面。所述窗口可以相对于支撑件自由运动， 以便适应标尺表 面的平面度偏差， 但是在与所述标尺表面的平面平行的平面中的运动可能受到限制。 因而， 该局部运动允许所述窗口运动以遵循所述标尺的平面度中的任何起伏， 但是其相对于沿着 所述标尺的行进方向的位置、 左右及偏航运动受到控制。
所述窗口在使用中距离所述标尺最近的表面可以具有防刮涂层， 该涂层可以是类 金刚石 (diamond-like carbon， DLC) 涂层。所述传感器可以包括至少一个在行进方向上位 于所述窗口前方的刮擦元件。该元件可以是用于润湿所述标尺和 / 或移除碎屑的吸附垫。
所述标尺和所述传感器可以适合于相互接触。 所述相互接触可以在没有液体的情 况下进行。在 WO 02/25219 中描述了在该段以及前面三段中描述的传感器和标尺。
所述编码器标尺构件可以是线性编码器标尺构件或具有曲率半径的编码器标尺 构件。具有曲率半径的编码器标尺构件可以是旋转编码器标尺构件。若干个具有曲率半径 的编码器标尺构件可以一起使用以形成环或圈， 或另选地形成部分环或圈。单个编码器可 以形成环或圈， 或形成部分环或圈。环或圈可以是例如圆形、 准圆形或椭圆形。部分环或圈 可以是例如部分圆形、 或部分准圆形。所述运动引导件可以具有与所述编码器标尺构件类 似的形状。
线性编码器标尺构件优选保持在所述安装表面和线性运动引导件之间。 具有曲率 半径的编码器标尺构件优选保持在具有曲率半径的运动引导件和所述安装表面之间。 更优 选的是， 所述编码器标尺构件的曲率半径与所述运动引导件的曲率半径相对应。
优选的是， 所述坐标定位设备是机床。 另选的是， 所述坐标定位设备例如可以是坐 标测量机器、 单周测量装置或机械操纵或处理系统。所述坐标定位设备例如可以是位置确 定设备或位置测量设备。
根据本发明的第二方面， 提供了一种编码器标尺构件， 所述编码器标尺构件供坐 标定位设备使用， 所述坐标定位设备包括 ： 安装表面 ； 可安装在所述安装表面上的运动引 导件 ； 和包括用于感测标度标记的传感器的第一构件， 所述第一构件可安装在所述运动引 导件上， 所述编码器标尺构件包括 ： 第一组标度标记， 所述第一组标度标记在使用中可由所述传感器感测 ； 以及
至少一个安装特征， 所述至少一个安装特征允许所述编码器标尺构件的至少一部 分固定在所述安装表面和所述运动引导件之间， 使得所述编码器标尺构件至少在所述第一 组标度标记附近由所述安装表面支撑。
至少一个附接部件能与所述编码器标尺构件的所述至少一个安装特征相协作， 以 将所述编码器标尺构件的所述至少一部分固定在相关的安装表面和运动引导件之间。 所述 至少一个安装特征可以包括至少一个用于接收所述至少一个附接部件的安装孔。另选的 是， 所述至少一个安装特征可以包括用于围绕所述至少一个附接部件装配的至少一个安装 槽。
优选的是， 所述编码器标尺构件具有相反的第一表面和第二表面。 方便的是， 所述 第一表面基本上平行于所述第二表面。
所述第一组标度标记可以设置在所述第一表面和第二表面中的至少一个表面上。 优选的是， 所述第一组标度标记设置在所述编码器标尺构件的第二表面上。 如前文所述， 所 述第一组标度标记可以被布置成形成至少一条标尺轨道。
所述第一组标度标记可以是磁性标度标记。优选的是， 所述第一组标度标记是无 源磁性标度标记。
所述编码器标尺构件可以是线性编码器标尺构件或具有曲率半径的编码器标尺 构件。
根据本发明的第三方面， 提供了一种用于将编码器标尺构件安装至坐标定位设备 的方法， 所述坐标定位设备包括 ： 安装表面 ； 可安装在所述安装表面上的运动引导件 ； 包括 用于感测标度标记的传感器的第一构件， 所述第一构件可安装在所述运动引导件上， 所述 编码器标尺构件包括第一组标度标记， 所述第一组标度标记在使用中可由所述传感器感 测， 所述方法包括如下步骤 ：
(i) 获取所述安装表面、 运动引导件和编码器构件 ； 和
(ii) 将所述编码器标尺构件的至少一部分定位在所述安装表面和所述运动引导 件之间， 使得所述编码器标尺构件至少在所述第一组标度标记附近由所述安装表面支撑。
有利的是， 将所述编码器标尺构件的至少一部分定位在所述安装表面和所述运动 引导件之间使得所述编码器标尺构件在所述第一组标度标记附近由所述安装表面支撑的 步骤包括如下步骤 ：
(i) 将所述编码器标尺构件定位在所述坐标定位设备的安装表面上， 使得所述编 码器标尺构件至少在所述第一组标度标记附近由所述安装表面支撑 ；
(ii) 将所述运动引导件定位在所述编码器标尺构件上， 使得所述编码器标尺构件 的至少一部分位于所述坐标定位设备的所述运动引导件和所述安装表面之间。
所述编码器标尺构件可以存储在卷曲构造中。 在所述编码器标尺构件是卷曲编码 器标尺构件的情况下， 将所述编码器标尺构件定位在所述坐标定位设备的安装表面上使得 所述编码器标尺构件至少在所述第一组标度标记附近由所述安装表面支撑的步骤可以包 括展开所述编码器标尺构件并将其铺设在所述安装表面上。优选的是， 所述编码器标尺构 件具有自然展开倾向。 所述方法可以包括将所述运动引导件和所述编码器标尺构件固定至所述坐标定 位设备的安装表面上的附加步骤。
所述安装表面、 所述运动引导件和所述编码器标尺构件各自均可以包括安装孔， 并且将所述运动引导件和所述编码器标尺构件固定至所述坐标定位设备的安装表面的步 骤包括将所述运动引导件和所述编码器标尺构件螺栓连接至所述坐标定位设备的安装表 面上的步骤。这在所述运动引导件是导轨是特别方便的。
所述方法可以包括将所述运动引导件可释放地固定至所述坐标定位设备的所述 安装表面的初始步骤。在这种情况下， 将所述编码器标尺构件的至少一部分定位在所述安 装表面和所述运动引导件之间使得所述编码器标尺构件至少在所述第一组标度标记附近 由所述安装表面支撑的步骤还包括如下步骤 ：
(i) 从所述坐标定位设备的安装表面至少部分地释放所述运动引导件 ； 和
(ii) 从所述坐标定位设备的安装表面至少部分地分离所述运动引导件。
所述方法还可以包括将所述运动引导件再次固定至所述坐标定位设备的所述安 装表面的步骤
所述运动引导件可以利用至少一个附接部件可释放地固定至所述坐标定位设备 的所述安装表面。 所述编码器标尺构件可以包括用于装配在所述至少一个附接部件周围的 至少一个安装槽。
对于这里所描述的方法， 所述坐标定位设备优选是机床。
根据本发明的第四方面， 提供了一种坐标定位设备， 所述坐标定位设备包括 ：
安装表面 ；
可安装在所述安装表面上的运动引导件 ；
用于支撑传感器的第一构件， 所述传感器用于感测标度标记， 所述第一构件可安 装在所述导轨上 ； 以及
编码器标尺构件， 所述编码器标尺构件包括标度标记 ；
其中所述编码器标尺构件的至少一部分保持在所述安装表面和所述运动引导件 之间， 所述编码器标尺构件的大部分由所述安装表面支撑。
优选的是， 所述坐标定位设备是机床。所述标度标记可以如针对所述第一组标度 标记描述的那样。 所述标尺构件的大部分可以包括例如所述标尺构件的宽度的沿着该标尺 构件的长度的大部分的部分。 大部分可以包括所述标尺构件的宽度的沿着该标尺的长度的 大部分。所述大部分可以由若干区段构成。所述大部分不必必须是一个连续的大部分。 附图说明
下面将参照附图以实施例的方式描述本发明的优选实施方式。
图 1a 示出了以已知方式安装至引导组件的导轨的编码器标尺的等距视图， 图 1b 示出了穿过引导组件的剖面图， 所述引导组件包括图 1a 所示的导轨， 该导轨安装至机床的 床身 ；
图 2a、 2c 和 2d 示出了用于安装在导轨和机床的床身之间的各种线性编码器标尺 的等距视图， 图 2b 示出了穿过图 2a 中所示的线性编码器标尺 30 的剖面图 ；
图 3 示出了穿过编码器标尺和安装在机床上的引导组件的剖面图。
图 4a 示出了编码器标尺的等距视图， 该编码器标尺具有用于将导轨相对于编码 器标尺进行定位的隆起边缘， 图 4b 示出了穿过图 4a 的编码器标尺和安装在机床上的引导 组件的剖面图 ；
图 5 示出了具有安装槽的编码器标尺的等距视图 ；
图 6 示出了沿着无源磁性标尺的长度的轮廓视图 ； 以及
图 7 示出了穿过利用轴承安装至机器部件的旋转编码器的剖面图。 具体实施方式
图 1a 示出了以已知方式安装至引导组件的导轨 12 的编码器标尺 10 的等距视图。 图 1b 示出了穿过安装至机床的床身 20 的引导组件 28 的剖面图。引导组件 28 包括导轨 12 和安装在导轨 12 之上的引导托架 22， 引导托架 22 可以在辊子或滚珠元件 24 上沿着导轨 12 的长度移动。
导轨 12 包括沿着导轨的长度延伸的安装表面 13 和侧表面 14， 安装表面 13 基本垂 直于侧表面 14。编码器标尺 10 粘合在导轨 12 的侧表面上。在小导轨上， 可能难以找到将 标尺安装至导轨的侧表面或任何其他表面的空间。 另外， 如果涉及长段的标尺， 则将编码器 标尺 10 粘合至导轨 12 可能特别麻烦。难以获得均匀厚度的粘胶， 所以标尺可能不会平坦 地位于导轨的侧面上。结果， 标尺和为了感测标尺而设置的传感器之间的距离沿着标尺的 长度变化， 从而导致传感器和标尺的相对位置的测量不精确。
导轨 12 设置有沿着其长度间隔开的多个螺栓孔 16。为了将导轨 12 的安装表面 13 固定至机床的床身 20， 螺栓 18 穿过螺栓孔 16 并且穿过床身 20 中的相应地间隔开的孔 21。
用于感测标尺 10 的读取头 26 安装在引导托架 22 上， 使得读取头传感器指向导轨 12 的侧表面 14 并因而朝向标尺 10。读取头 26 必需与标尺 10 对齐， 以便能够提供引导托 架 22 相对于导轨 12 的相对位移的精确测量。该对齐过程可能充满挑战并且费时。图 2a、 2c 和 2d 示出了沿着用于安装在导轨和机床床身之间的各种线性编码器标 尺 30、 40、 50 的长度的区段的等距视图。 编码器标尺 30、 40、 50 包括细长标尺构件 31、 41、 51 以及至少一条标尺轨道 36、 46、 48、 56、 58， 所述标尺轨道包括标度标记 36a、 46a、 48a、 56a、 58a。标尺构件 31、 41、 51 具有假想的纵向中心线 33、 43、 53。图 2b 示出了穿过图 2a 中所示 的线性编码器标尺 30 的剖面图。
图 2a 和图 2b 中所示的编码器标尺 30 包括标尺构件 31， 该标尺构件 31 具有基本长 方体形状和基本矩形横截面。标尺构件具有两对相反表面， 一对较大的相对表面为如图所 示的上表面 31a 和下表面 31b， 一对较小表面为如图所示的第一侧面和第二侧面 31d、 31c。 上表面 31a 和下表面 31b 在标尺构件的纵向边缘 34、 35、 37、 38 处与侧面 31d、 31c 相交。然 而， 应理解的是， 编码器标尺 30 可以以与图 2a 和 2b 所示不同的取向使用， 在这种情况下， 这里所参考的上表面、 下表面和侧面将不再适用。
相反的上表面 31a 和下表面 31b 限定标尺构件的长度和宽度 W， 而相对的侧面 31c、 31d 限定标尺构件 31 的长度和厚度 X。相反的上表面 31a 和下表面 31b 基本平行， 使 得标尺的厚度 X 沿着标尺构件 31 的长度基本上是均匀的。标尺构件 31 的一个纵向边缘用 作基准边缘 34， 标尺轨道 36 的标度标记 36a 相对于该基准边缘 34 直接形成在标尺构件 31 内或标尺构件 31 上。这样， 标度标记 36a 是标尺构件 31 的一体部件。当标尺 30 安装成基 准边缘 34 基本平行于读取头和标尺 30 之间的相对运动的轴线时， 从标度标记 36a 获取的 读数的精度尽可能地接近标度标记 36 形成的精度。 因而使得测量信号输出的误差最小。 基 准边缘 34 用于将标尺构件 31 与形成在机床床身中的凹槽的边缘对齐， 这样还将标尺构件 31 与导轨的边缘对齐， 所述导轨还与机床床身中的凹槽的边缘的对齐。
标尺轨道 36 设置在标尺构件 31 的上表面 31a 上， 沿着远离基准边缘 34 的方向从 假想的纵向中心线 33 偏离。 标尺轨道 36 设置成基本平行于基准边缘 34， 使得标度标记 36a 基本垂直于基准边缘 34。
标尺构件 31 设置有沿着其长度间隔开的螺栓孔 32， 螺栓可以穿过所述螺栓孔 32 以便将标尺 30 固定至机床床身。螺栓孔 32 间隔成与导轨中的螺栓孔之间的间隔对应， 导 轨中的螺栓孔又与机床床身中的螺栓孔对应， 使得标尺 30 能够被紧固在导轨和机床床身 之间。标尺构件 31 中的螺栓孔 32 略微大于导轨和机床床身中的螺栓孔， 使得标尺构件 31 中的螺栓孔 32 不必精确地定位。
参照图 2a 中所示的编码器标尺 30 的一般描述也分别适用于图 2c 和图 2d 中所示 的编码器标尺 40 和 50。图 2a 中的附图标记 31 例如分别对应于图 2c 和 2d 中的附图标记 41 和 51。
图 2c 中所示的编码器标尺 40 设置有两个位于标尺构件 41 上的标尺轨道 46、 48。 在该实施方式中， 一条标尺轨道 46 设置成在背离标尺构件 41 的基准边缘 34 的方向从假想 的纵向中心线 43 偏离， 另一条标尺轨道 48 设置成在朝向标尺构件 41 的基准边缘 44 的方 向上从假想的纵向中心线 43 偏移。在这种情况下， 标尺轨道 46、 48 在使用时可以由两个单 独的传感器读取， 其中在安装在标尺顶部上的导轨的两侧各定位有一个传感器。
图 2d 中所示的编码器标尺 50 还设置有位于标尺构件 41 上的两条标尺轨道 56、 58。在该实施方式中， 两条标尺轨道 56、 58 均在背离标尺构件 51 的基准边缘 54 的方向从 假想的纵向中心线 53 偏离。在这种情况下两条标尺轨道 56、 58 可以由同一个传感器读取，或者由多个单独的传感器读取。
该多对标尺轨道 46、 48 和 56、 58 例如可以为一个是增量式标尺， 一个是基准标记 标尺， 或为两个沿着相反方向延伸的绝对式标尺。
应理解的是， 作为基准边缘 34 的另选方案， 可以设置基准面， 例如第一侧面 3d。
图 3 示出了穿过安装在机床床身 86 上的编码器标尺 30 和引导组件 70 的剖面图。 机床床身 86 设置有凹槽边缘 86a， 编码器标尺 30 的基准边缘 34 和 / 或导轨 72 的第一表 面 72a 可以抵靠该凹槽边缘 86a 定位。一列间隔开的螺栓孔 87 设置在机床床身 86 中， 该 列基本上平行于凹槽边缘 86a 延伸。
引导组件 70 包括细长导轨 72 和安装在导轨 72 之上的引导托架 74， 所述引导托架 74 可在辊子或滚珠元件 76 上沿着导轨 72 的长度移动。导轨 72 具有限定导轨 72 的长度 和宽度 W1 的安装表面 78 和沿着导轨 72 的长度延伸的基本垂直于安装表面 78 的第一表面 72a。导轨 72 设置有沿着其长度以与机床床身 86 中的螺栓孔 87 之间的距离对应的距离间 隔开的多个螺栓孔 90。
如参照图 2a 和 2b 所述， 编码器标尺 30 包括细长标尺构件 31， 所述细长标尺构件 31 具有 ： 基本平行的上表面 31a 和下表面 31b， 所述上表面 31a 和下表面 31b 限定标尺构件 31 的长度和宽度 W2 ； 标尺轨道 36， 所述标尺轨道 36 包括设置在上表面 31a 上的标度标记 ； 以及侧面 31c、 31d， 所述侧面 31c、 31d 限定所述标尺构件 31 的长度和厚度 X。标尺构件 31 的一个纵向边缘用作基准边缘 34。 多个螺栓孔 32 沿着其长度间隔开地贯穿标尺构件 31 设 置。标尺构件 31 中的螺栓孔 32 间隔开以与导轨 72 的螺栓孔 90 和机床床身 36 中的螺栓 孔 87 对应。 在安装过程中， 编码器标尺 30 和导轨 72 安装在机床床身 86 上。首先， 使标尺构 件 31 的基准边缘 34 抵靠机床床身 86 的凹槽边缘 86a 定位， 编码器标尺 30 的螺栓孔 32 与 机床床身 86 中的螺栓孔 87 对齐。在该位置， 标尺构件 31 的下表面 31b 沿着编码器标尺 31 的整个长度接触机床床身 86。由于标尺构件 31 的上表面 31a 和下表面 31b 平行， 因而沿着 编码器标尺 30 的长度分离开均匀距离 X， 因此标尺构件 31 的上表面 31a 相对于机床床身 86 的位置是已知的。
然后将导轨 72 定位在编码器标尺 30 的上表面 31a 上， 导轨的第一边缘 72a 抵靠 机床床身 86 的凹槽边缘 86a 上。导轨 72 的宽度 W1 小于标尺构件 31 的宽度 W2， 使得导轨 72 将编码器标尺 30 的第一部分 30a 夹在导轨 72 和机床床身 86 之间。编码器标尺 30 的 其上设置有标尺轨道 36 的第二部分 30b 从导轨 72 的下面伸出， 使得标度标记 36a 可以由 安装在引导托架 74 上的读取头 84 感测。为了将编码器标尺 30 和导轨 72 固定至机床床身 86， 将螺栓 88 穿过螺栓孔 90、 32 并穿入床身 86 中的相应地间隔开的孔 87 中。编码器标尺 30 制造成使得当其定位在导轨 72 和机床床身 86 之间时， 标尺构件从导轨下面伸出。
应理解的是， 如果所使用的编码器标尺具有卷起的存储状态， 则可以将标尺展开 并且在导轨固定在标尺的顶部上之前将其放置在机床床身上。 通过将导轨定位在标尺的一 部分的顶部上， 导轨的重量有助于使标尺沿着其长度压平 ； 将导轨螺栓连接至机床， 标尺保 持在导轨和机床之间， 这能够增强导轨的压平作用。
导轨组件 70 的尺寸是已知的， 由于标尺构件 31 的均匀厚度 X， 因此能够确定引导 组件 70 相对于机床床身 86 的位置。由于机床床身通常是平坦的， 并且标尺构件 31 具有固
定厚度， 标尺构件 31 的上面形成有标度标记 36a 的表面也应该是平坦的。由于导轨 72 和 引导托架 74 的尺寸是已知的并且沿着导轨 72 的长度固定， 支撑在引导托架 74 上的读取头 84 设置在距离机床床身 86 固定的已知距离处和距离标尺构件 31 的形成标度标记的表面固 定的已知距离处。将读取头 84 沿着标尺轨道 36 的长度设置在距离标度标记 36a 固定距离 处使得能够获得标尺 36 和读取头 84 之间的位移的精确测量。
读取头 84 安装至引导托架 74， 该读取头 84 包含用于感测编码器标尺 30 上的 ( 标 尺轨道 36 的 ) 标度标记的传感器 ( 未示出 )。为了设定读取头 84 相对于标度标记 82 的高 度， 将一间隔件 ( 未示出 ) 定位在标度标记和读取头 84 之间， 而读取头 84 固定至引导托架 74。在使用时， 引导托架 74 沿着导轨 72 的长度相对于导轨 72 运动， 使得读取头 84 相对于 编码器标尺 80 上的标度标记 82 运动。
图 4a 示出了编码器标尺 90 的等距视图， 所述编码器标尺 90 具有用于定位导轨的 相对于编码器标尺 90 的隆起边缘部 100。图 4b 示出了穿过图 4a 的编码器标尺 90 和安装 在机床床身 104 上的导轨 102 的剖面图。编码器标尺 90 包括 ： 细长标尺构件 91， 所述标尺 构件 91 具有两个大平行表面， 在图中分别示出为上表面 91a 和下表面 91b ； 贯穿标尺构件 91 的螺栓孔 92， 所述螺栓孔 92 沿着标尺构件 91 的假想的中心线 93 布置 ； 隆起边缘部 100 ； 以及包含标度标记 96a 的标尺轨道 96。标尺轨道 96 设置在标尺构件 91 的上表面 91a 上， 向螺栓孔 92 的第一侧偏离， 隆起边缘部 100 设置在螺栓孔的与标尺轨道 96 相反的一侧。 隆起边缘部 100 提供了一个边缘， 导轨 102 在使用时可以抵靠该边缘定位， 如图 4b 所示。这样， 导轨 102 在 x 方向上相对于机床床身 104 和标尺轨道 96 的位置是精确地已知 的， 并且在 y 方向上相对于标尺轨道 96 的位置也是精确地已知的。已知导轨 102 在 y 方向 上相对于标尺轨道 96 的位置的优点是， 然后可以固定读取头 ( 支撑在导轨托架上， 导轨托 架又支撑在导轨上 ) 在 y 方向上相对于标度标记的位置。通过确保读取头没有在 y 方向从 标尺偏离 ( 被称为偏航 )， 可以更精确地获得读取头和标尺的相对位置的测量。
当使用没有隆起边缘部的标尺构件时， 导轨和标尺构件的相对位置可以通过将导 轨和标尺构件抵靠机床床身中的凹槽边缘来固定， 如图 3 所示。
图 5 示出了编码器标尺 110 的等距视图， 所述编码器标尺 110 具有安装槽 112 而 不是如之前的附图中所示的螺栓孔或其他安装孔。标尺轨道 106 朝向标尺构件 111 的第一 边缘 111c 设置， 并且安装槽 112 从标尺构件 111 的第二边缘 111d 向内延伸。安装槽 112 使得能够更容易地在导轨组件下面将编码器标尺安装至机床床身。 在导轨组件已经安装至 机床床身的情况下， 将导轨固定至机床床身的螺栓可以被松开， 可以将导轨提起， 在导轨下 面滑动编码器标尺 110， 并且围绕螺栓装配安装槽 112。然后可以将螺栓紧固以将编码器标 尺固定在机床床身和导轨之间的适当位置。
图 2 至图 5 中各幅图所示的标尺轨道是通过蚀刻在标尺构件中形成的无源磁性标 尺轨道。在标尺构件内蚀刻可以例如包括激光蚀刻、 化学蚀刻、 机械蚀刻或这些蚀刻的组 合。作为蚀刻的另选方案， 标度标记可以通过例如向标尺构件增加以形成凸起或凹槽而形 成。应理解的是， 任何其他类型的标尺轨道例如有源磁性、 光学、 电容式或感应式标尺轨道 都可以代替无源磁性标尺轨道。这种标尺轨道的标度标记可以以已知方式形成。另外应理 解的是， 标度标记可以在除了轨道之外的结构中设置在标尺构件上。 在使用中， 可以在引导 组件的引导托架上设置用于感测标度标记的适当传感器。
无源磁性标尺轨道在机床环境中可能是有利的， 这是因为它们耐用。不管例如标 尺表面上有任何灰尘或冷却剂， 仍可以获得测量值。 另外， 即使磁性标尺的表面例如被切屑 刮伤， 仍然可以获得精确测量。诸如唇形密封件之类的密封件可以设置在读取头上以在读 取头在标尺上经过时从标尺上擦去任何碎屑， 使得读取头的传感器能够不受碎屑阻挡地感 测标尺。可以如 WO 02/25219 中所述那样设置 “湿读取头” ， 在这种情况下， 读取头可以在读 取头的行进方向上设置窗口和位于窗口前方的擦拭元件。
图 6 示出了沿着无源磁性标尺 120 的长度的轮廓图以及穿过用于感测标尺的传感 器 130 的剖面图。标尺具有增量式标度标记， 所述标度标记由沿着其长度布置的交替的凹 槽 124 和凸起 122 形成。无源磁性标尺 120 由铁素体等级的不锈钢制成。标尺可以另选地 由任何磁性材料制成， 如由碳钢或纯铁、 或磁性材料混合物制成。
用于感测无源磁性标尺 120 的传感器 130 包括永磁体 132 和霍尔元件 134。当传 感器 130 在使用中定位在标尺 120 上方时， 磁场密度由霍尔元件 134 测量。当传感器 130 在箭头 A 的方向上沿着标尺 120 的长度移动时， 所测量的磁场密度沿着编码器标尺构件的 长度变化。该测量磁场密度变化的首要原因是永磁体和标尺的磁性材料之间的距离的变 化。该作用的第二个原因是接近传感器设置的磁性材料的量。当霍尔元件在凸起 122 之上 经过时， 所感测的磁场密度增加， 而当霍尔元件在凹槽 124 之上经过时， 所感测的磁场密度 减小。
为了使所测量的磁场密度从凸起 122 上方的位置到凹槽 124 上方的位置的变化最 大， 传感器 130 必需尽可能接近标尺精确地定位。
应理解的是， 巨磁电阻传感器 (GMR) 或各向异性磁电阻传感器 (AMR) 或多个霍尔 元件可以代替所描述的霍尔元件 134。
图 7 示出了穿过安装在轴承 142 和机器 146 的安装表面 144 之间的旋转编码器标 尺构件 140 的剖面图， 所述轴承包括固定滚道 142a 和可动滚道 142b 以及滚珠轴承 142c。 机器包括固定组件 150 和可旋转组件 148， 所述可旋转组件 148 具有第一元件 148a 和第二 元件 148b， 所述可旋转组件 148 可围绕轴线 Y 旋转。设置读取头 152 以用于读取设置在旋 转编码器标尺构件 140 上的标度标记 141。
固定组件 150 支撑读取头 152 和轴承组件 142 的固定轨道 142a。机器 146 的可旋 转组件 148 通过螺栓 154 附接至可动滚道 142b。编码器标尺构件 140 定位在轴承 142 的 可动滚道 142b 和可旋转组件 148 的安装表面 144 之间， 使得当螺栓 154 被紧固时， 可旋转 组件 148 的第一元件 148a 沿着箭头 B 的方向被拉向第二元件 148b， 从而将编码器标尺构 件 140 夹持在轴承 142 的可动滚道 142b 与可旋转组件 148 的安装表面 144 之间。在该实 施方式中， 垫片 156 设置在轴承 142 的可动滚道 142b 和编码器标尺构件 140 之间， 使得编 码器标尺构件 140 与轴承 142 的固定滚道 142a 间隔开。
标度标记 141 设置在编码器标尺构件 140 上， 使得它们可以由读取头 152 感测到。 可旋转组件 148 的旋转可以由读取头 152 测量， 所述读取头在标度标记 141 相对于读取头 152 运动时读取标度标记 141。
所述机器 146 可以是用于将安装在可旋转组件 148 上的物体相对于固定组件 150 精确定位的坐标定位设备。所述物体可以安装至可旋转组件 148 的外表面 149。
本领域技术人员应理解的是， 所描述的所有实施方式可以以任何取向设置。还应该理解的是， 所述标尺构件可以安装至设备的可动构件或固定构件中的任一个， 所述传感 器安装至可动构件或固定构件中的另一个， 从而使得所述标尺和传感器可相对运动。