DE10117197A1 - Drehgeber - Google Patents

Abstract

Es wird ein Drehgeber beschrieben, der die Drehung einer Welle misst. DOLLAR A Es geht darum, den Geber ohne Eigenlagerung auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehgeber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1.

Unter dem Ausdruck Drehgeber wird ein Winkel-/Wegmesssystem verstanden, das den Verdrehwinkel, bzw. den entsprechenden Drehweg einer Welle misst. Die Welle kann, z. B. die Welle eines Motors sein.

Für die absoluten Winkel-/Wegemsssysteme kommen sogenannte Resolver zum Einsatz, die in ein- bzw. mehrpoliger Ausführung dem Winkel (Weg) entsprechende SIN-/COS-Signale zur Signalverarbeitung bereitstellen. Diese robuste und tempera­ turunempfindliche Sensorausführung wird bisher in sehr hohen Stückzahlen für z. B. eine Vielzahl von Elektromotoren (ca. 90% der geregelten Antriebe) eingesetzt. Die bewährten kostengünstigen Resolver sind jedoch bezüglich Auflösung und Genauig­ keit oberhalb z. B. 12 bis 13 Bit für die zunehmend anspruchsvollen Servosteuerun­ gen nicht mehr ausreichend. Auch sind mit den Resolvern keine Mehrfacherfassun­ gen von Umdrehungen - sogenannte Multiturn-Funktionen möglich -, so dass man zunehmend auf die geschlossenen und hochauflösenden Drehgeber mit Eigenlage­ rung in gekapselter Ausführung zurückgreift.

Diese Geber sind jedoch voluminös, durch die Eigenlagerung teuer und erzeugen durch die Lagerung und die Dichtungen merkliche Übertemperaturen. Besonders bei Elektromotoren mit hohen Umgebungstemperaturen von über 100°C am Einbauort ist die zusätzliche Eigenerwärmung der geschlossenen und eigengelagerten Dreh­ geber für die Optik und Elektronik ein markantes Funktions- und Zuverlässigkeitspro­ blem.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen preiswerten Drehgeber zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Drehgeber, der keine Eigenlagerung auf­ weist, werden die störenden Nachteile bezüglich Volumen, Temperatur und Preis der geschlossenen und eigengelagerten Drehgeber weitestgehend vermieden, sowie die störenden Montageaufwendungen und Schmutzempfindlichkeiten bisheriger Inkre­ mental-Einbaugeber beseitigt.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt einerseits in der funktionalen Verknüpfung des den Drehgeber umschließenden Gehäuses mit dem präzise montierten, bzw. einge­ bauten Abtastsystem und andererseits in der passgerechten Verbindung des Gehäu­ ses mit dem entsprechend genau vorbereiteten und angepassten Gehäuse eines Geräts, z. B. eines Motors.

Auch die Maßstabsscheibe muss möglichst präzise ohne Justierhilfen auf der Welle montiert werden. Erfindungsgemäß soll auch hier die Maßstabsscheibe mit einem Teil fest verbunden sein, dessen Funktionsfläche sehr genau mit der Maßstabsachse in Beziehung steht und zur passgenauen Wirkverbindung mit der Welle dienen soll. Als einfache Lösung bietet sich z. B. eine entsprechend ausgestaltete Stahlbüchse an, die mit sehr genauem Innendurchmesser versehen ist und auf der die Maßstabs­ scheibe mit der Maßstabsspur zentrisch fest aufgeklebt ist. Die Büchse mit der Maß­ stabsscheibe (z. B. aus Glas, Kunststoff oder Metall) kann dann einfach auf der passgenauen Welle befestigt werden, ohne zeitraubende Justiermaßnahmen vor­ nehmen zu müssen.

Es lassen sich damit einfach zu montierende Einbaugeber mit hohen Auflösungen präzise z. B. in bestehende Elektromotoren einbauen und es lässt sich der Betrieb in weitestgehend staub- und ölfreier Umgebung gewährleisten. Neben dem platzspa­ renden Einbau entfällt auch die Erwärmung durch die Geberlager. Mit der erfinderi­ schen Ausführung werden hochgenaue Sensorsysteme auch in rauhen Umgebungen, z. B. Elektromotoren, einsetzbar und bei entsprechenden Stückzahlen werden die Preisvorteile der Resolver eliminiert.

Anhand der Zeichnung werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher er­ läutert.

In Fig. 1 ist ein Gehäuse mit 1 bezeichnet, an dem mittels Lager 2 eine Welle 3 dreh­ bar gelagert ist. Auf die Welle 3 ist eine Hülse 4 aufgeschoben und befestigt, an der die Maßstabsscheibe 4a eines optisch arbeitenden Abtastsystems präzise befestigt ist.

Der Drehgeber weist ein hülsenförmiges Gehäuse 5 auf. In diesem Gehäuse 5 ist eine Trägerplatine 6 befestigt, die eine Beleuchtungseinrichtung 7 und z. B. eine op­ tisch-elektronische Auswerteanordnung 8 trägt. Zum Abtastsystem gehört ein am Gehäuse 1 befestigtes Prisma 9. Auf der Außenseite weist der Drehgeber einen Deckel 10 auf. Innen ist eine Dichtscheibe 11 mit optischem Fenster 13 vorgesehen.

Am Gehäuse 1 sind zwei senkrecht zueinander stehende Funktionsflächen 12 aus­ gebildet, eine als Stirnfläche und eine als Außenfläche. An diesen Flächen liegen im gezeigten eingebauten Zustand die korrespondierenden Flächen des Gehäuses 5 an.

Zur weiteren Abdichtung des Innenraums können Staubdichtungen 14 und 15 an den Lagern 2 und/oder zwischen Dichtscheibe 11 und Welle 3, bzw. Hülse 4 vorgesehen sein.

Bei dem gezeigten Abtastsystem gibt die Beleuchtungseinrichtung 7 einen Lichtstahl durch das optische Fenster 13 zum Prisma 9. Hier erfolgt eine Umlenkung um 180° und eine Rückführung durch die Maßstabsscheibe 4a zur optisch-elektronischen Auswerteeinrichtung 8.

Die Fig. 1 zeigt eine Welle mit Gehäuse und einen eingebauten Geber. Am Gehäuse befinden sich somit Flächen zur Aufnahme der hierzu passgenauen Funktionsflächen des Gebers. Der Geber wird mit einem genauen Außendurchmesser des Gehäuses 5 als Schiebe- oder Presssitz in das Gehäuse 1 funktionsgerecht eingeführt und dort z. B. durch Kleben zusätzlich befestigt. Nach diesem Außendurchmesser des Ge­ häuses 5 wurde die Optik auf einem Montageplatz genau zentrisch und abstandsge­ recht zur Stirnfläche des Gehäuses 5 vorher fest montiert. Entsprechend vorher wur­ de das Prisma 9 zur optischen Strahlumlenkung im Gehäuse fest angebracht und auf der Welle 3 die Hülse 4 befestigt, z. B. aufgepresst, auf der sich die vorher darauf fest und genau aufgebrachte Maßstabsscheibe, z. B. aufgeklebte Glas-Maßstabsscheibe 4a, befindet.

Damit ist der Drehgeber einfach und ohne Justiermittel genau und funktionsgerecht befestigt, sowie zur qualitativ hochauflösenden Messung von Relativbewegungen zwischen Welle 3 und Gehäuse 1 geeignet. Mit der Dichtscheibe 11 mit einem opti­ schen Fenster 13, z. B. aus Glas bei optischen Gebern, ist der Drehgeber weitestge­ hend staubgeschützt und für sehr schmutzige Einbauräume geeignet.

Als Funktionsflächen könnten auch die Innenflächen (Innendurchmesser) des Ge­ häuses 5 und eine entsprechende Außenfläche des Gehäuses 1 benutzt werden. Auch können statt der den Abstand des Gebers bestimmenden Stirnfläche andere gleichwertige Maßnahmen an der Außenkontur getroffen werden, die die gestellten Funktionsforderungen für das Gebersystem im Zusammenspiel mit dem Gehäuse­ einbauraum erfüllen.

Die Grundgedanken sind für alle Einbaugeber anwendbar, unabhängig davon, ob das wirksame Sensorsystem auf optischen, magnetischen, induktiven, elektroma­ gnetischen, elektromechanischen, elektrostatischen usw. Wirkprinzipien beruht.

Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 einmal dadurch, dass die Welle 3 durch den Dec­ kel 10 hindurchgeführt ist, wobei dort eine Staubdichtung 16 vorgesehen ist.

Fig. 2 zeigt eine noch verfeinerte Eigenabdichtung des Gebers. Sie wird erreicht durch entsprechend vor dem Einbau des Gebers getroffenen Maßnahmen, die beim Zusammenbau wirksam werden. Gezeichnet ist eine Deckscheibe 16, die vor dem Einbau der Maßstabsscheibe 4a in den Einbauraum entsprechend eingeführt wird. Beim Montieren des Gebers, z. B. durch den Presssitz am Außendurchmesser, wird die Deckscheibe 16 bei optischen Messsystemen am letzten Stück des Weges ebenfalls am Innendurchmesser des Gehäuses 5 fest verbunden (z. B. Presssitz).

Zweckmäßigerweise beinhaltet die Deckscheibe 16 auch das Umlenkprisma 9 zur lagerichtigen Montage und hat, wie der Deckel 10 des Gebers, bei durchgehender Welle entsprechende Staubdichtungen 17.

Damit hat der Geber einen selbst geschaffenen Einbauraum, der weitestgehend den nötigen Schutz vor Schmutz und Abschirmung vor störenden Umgebungseinflüssen des jeweiligen Geberprinzips (optisch, magnetisch usw.) gibt und die Maßstabs­ scheibe umschließt.

Das Gehäuse 5 und die Deckscheiben 11, 16, sowie Deckel 10 sind zweckmäßiger­ weise mit entsprechenden Materialien ausgeführt, die externe Störquellen - wie elektromagnetische Störstrahlen, optische Strahlen, magnetische Felder - vom Sen­ sor weitestgehend abschirmen. So wird neben dem Staubschutz vorteilhaft das Sen­ sorsystem mit Maßstabsscheibe und jeweiligem Auswertesystem in der Messaufga­ be reproduzierbar und ungestört gehalten.

Claims (5)

1. ' Drehgeber für ein Gerät mit einem Gehäuse (1) und einer an diesem gelager­ ten, drehbaren Welle (3), mit der das drehbare Teil (4a) des Drehgebers ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Geber ein hülsenartiges Gehäu­ se (5) mit wenigstens zwei exakt gearbeiteten Funktionsflächen (12) aufweist, dass das Abtastsystem (7, 8, 9) des Gebers in Bezug zu diesen Funktionsflä­ chen (12) aufgebaut und ausgerichtet ist, und dass am Gehäuse (1) des Geräts korrespondierende Funktionsflächen (12) zur Aufnahme des hülsenartigen Ge­ häuses (5) vorgesehen sind.

2) Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehbare Teil (4, 4a) des Drehgebers ebenfalls Funktionsflächen zu seiner achsgerechten Ausrichtung aufweist.

3) Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsen­ artige Gehäuse (5) nach außen durch einen Deckel (10) abgedichtet ist.

4) Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Staubdichtungen (14, 15) zur Abdichtung des Gehäuses (5) gegenüber dem In­ nenraum des Geräts vorgesehen sind.

5) Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass mindestens Teile des Gehäuses und die Deckscheiben das jeweilige Sensorsystem (optisch, magnetisch usw.) von externen Störstrahlen weitestge­ hend abschirmen.