DE102005050016A1

DE102005050016A1 - Multiturn-Drehgeber

Info

Publication number: DE102005050016A1
Application number: DE102005050016A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schroter
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-04-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Multiturn-Drehgeber mit einer Eingangswelle (1), an der zur Erfassung ihrer Winkellage drehfest ein erster Codeträger (2) befestigt ist, der von einer ersten Detektoreinrichtung (6.1) abtastbar ist. Weiterhin umfasst der Drehgeber ein Getriebe (4), welches derart konfiguriert ist, dass bei drehender Eingangswelle (1) die Drehzahl eines dem Getriebe (4) zugeordneten Zahnrads (4.1) kleiner ist als die Drehzahl der Eingangswelle (1), wobei das Zahnrad (4.1) eine Winkelcodierung (4.11) aufweist. Ein Trägerelement (3), auf welchem eine Erregerwindung (3.1) und eine Detektorwindung (3.2) angeordnet sind, ist ebenfalls Bestandteil des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers. Das Zahnrad (4.1) ist relativ zum Trägerelement (3) drehbar durch ein Befestigungselement (5) radial fixiert, und das Befestigungselement (5) ist dabei am Trägerelement (3) befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Multiturn-Drehgeber zur Messung von Winkelpositionen gemäß dem Anspruch 1.
Derartige Multiturn-Drehgeber, häufig auch als Multiturn-Winkelmessgeräte bezeichnet, dienen zur Messung von Drehbewegungen einer Welle über mehrere Umdrehungen. Die Drehbewegungen werden dabei meist absolut erfasst, wobei dann der ausgegebene Messwert ein Zählerwert oder ein Codewort ist. In Verbindung mit Zahnstangen oder Gewindespindeln lassen sich mit Multiturn-Drehgebern auch lineare Bewegungen messen. Multiturn-Drehgeber werden insbesondere bei Werkzeugmaschinen, Industrierobotern oder Bearbeitungszentren eingesetzt.
In derartigen Multiturn-Drehgebern werden oft durch Untersetzungsgetriebe die Drehbewegungen der zu messenden Welle auf Drehbewegungen von winkelcodierten Getrieberädern übertragen, die sich mit entsprechend geringerer Drehzahl bewegen. Auf diese Weise kann die Drehstellung der Welle über eine Vielzahl von Umdrehungen bestimmt werden. Die Drehstellungen sowohl der Welle selbst, als auch die der untersetzt angetriebenen Getrieberäder können mit Hilfe induktiver Sensoren bestimmt werden.
Bei induktiven Sensoren werden häufig Erregerwindungen und Detektorwindungen in Form von Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebracht, die beispielsweise mit einem Stator eines Drehgebers fest verbunden ist. Dieser Leiterplatte gegenüber befindet sich eine weitere Platine, auf der in periodischen Abständen elektrisch leitende Flächen als Teilungsstruktur aufgebracht sind, und welche mit dem Rotor des Drehgebers drehfest verbunden ist. Wenn an den Erregerwindungen ein elektrisches Erregerfeld angelegt wird, werden in den Detektorwindungen während der Relativdrehung zwischen Rotor und Stator von der Winkellage abhängige Signale erzeugt. Diese Signale werden dann in einer Auswerteelektronik weiterverarbeitet.

In der DE 101 58 223 A1 ist ein Aufbau eines induktiven Multiturn-Drehgebers beschrieben, bei dem auf einem drehbaren Zahnrad des Untersetzungsgetriebes eine Winkelcodierung bzw. Teilung aufgebracht ist. Diese Winkelcodierung wird dann durch eine Detektoreinrichtung auf einer Statorseitigen Leiterplatte abgetastet. Derartige Multiturn-Drehgeber haben den Nachteil, dass sie vergleichsweise aufwändig zu montieren sind, bzw. dass die Maß- bzw. Fertigungstoleranzen für die Getriebekomponenten relativ eng bemessen sein müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Multiturn-Drehgeber zu schaffen, welcher mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar ist und überdies sehr exakt arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist der Multiturn-Drehgeber eine Eingangswelle auf, an der zur Erfassung ihrer Winkellage drehfest ein erster Codeträger verbunden ist, der von einer ersten Detektoreinrichtung abtastbar ist. Ferner umfasst der Multiturn-Drehgeber ein Getriebe, welches von der Eingangswelle antreibbar ist und das derart konfiguriert ist, dass bei drehender Eingangswelle die Drehzahl eines dem Getriebe zugeordneten Zahnrads kleiner ist als die Drehzahl der Eingangswelle. Das Zahnrad weist weiterhin eine Win kelcodierung, bestehend aus elektrisch leitenden und elektrisch nicht leitenden Bereichen auf. Zur Abtastung der Winkelcodierung des Zahnrads ist ein Trägerelement vorgesehen, auf welchem mindestens eine Erregerwindung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes angeordnet ist und mindestens eine weitere Detektorwindung angeordnet ist zur Abtastung des durch die Winkelcodierung des Zahnrads positions- bzw. winkelabhängig modulierten Feldes. Dabei ist das Zahnrad durch ein Befestigungselement, das zum Beispiel als ein Stift ausgestaltet ist, relativ zum Trägerelement radial fixiert. Das Befestigungselement selbst ist am Trägerelement fixiert.

Besonders günstig ist es, wenn das Trägerelement als eine Leiterplatte ausgestaltet ist, insbesondere ist es in Weiterbildung der Erfindung zudem vorteilhaft, wenn die mindestens eine Erregerwindung und die mindestens eine Detektorwindung auf dem Trägerelement mit Hilfe der Anwendung von Leiterplattentechnologien als Leiterbahnen ausgestaltet sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Zahnrad aus Leiterplattenmaterial auf dem in Leiterplattentechnologie die Winkelcodierung aufgebracht ist.

Die Verwendung der Leiterplattentechnologie, also der hochgenauen Verfahren zur Herstellung von Leiterplatten, hat unter anderem den Vorteil, dass die als Leiterbahnen ausgestalteten Erreger- und Detektorwindungen sowie die Winkelcodierung auf einfache Weise überaus exakt angeordnet werden können. Ferner können die Bohrungen für die Aufnahme des Befestigungselements mit Hilfe der Leiterplattentechnologie zusammen mit den Bohrungen der Durchkontaktierungen mit minimalen Abweichungen zum Leiterbild (hier Erreger-, Detektorwindungen und die Winkelcodierung) vorgenommen werden. Dadurch kann mit geringem Aufwand eine sehr hohe Konzentrizität zwischen Winkelcodierung bzw. Zahnrad und Erreger-/Detektorwindungen erreicht werden, was letztlich die Messeigenschaften des Multiturn-Drehgebers verbessert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zahnrad relativ zum Befestigungselement drehbar angeordnet und/oder das Befestigungselement relativ zum Trägerelement drehfest, also nicht drehbar, angeordnet.

Mit Vorteil ist das Befestigungselement reibschlüssig, zum Beispiel durch eine Presspassung, am Trägerelement fixiert bzw. festgelegt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Multiturn-Drehgeber so aufgebaut, dass der Abtastspalt zwischen der Winkelcodierung des Zahnrads und dem Trägerelement mit Hilfe einer formgebundenen Konstruktion definiert ist. Als formgebunden sind im Folgenden insbesondere Konstruktionen zu verstehen, welche den Abtastspalt durch einen mechanischen Anschlag vorgeben. Das heißt, dass der Abtastspalt beispielsweise durch einen Vorsprung in einem Bauteil oder durch ein separates Distanzstück definiert ist. Mit Vorteil weist in diesem Zusammenhang das Zahnrad einen Absatz auf, welcher am Trägerelement berührend anliegt und so den Abtastspalt formgebunden definiert. Alternativ oder ergänzend dazu kann aber auch ein Absatz im Trägerelement oder ein separates Distanzstück zwischen Trägerelement und Zahnrad für den gleichen Effekt vorgesehen sein.

Diese formgebundene Definition des Abtastabstandes hat viele Vorteile, denn gerade bei induktiv arbeitenden Positionsmesssystemen ist es beispielsweise wichtig, dass der Abtastspalt möglichst exakt eingestellt ist und darüber hinaus auch möglichst klein ist. Diese Sachverhalte sind die Voraussetzung, dass die von den Detektorwindungen aufgenommen Signale eine gleich bleibende und große Signalamplitude aufweisen, was letztlich für das zu erreichende Messziel von entscheidender Bedeutung ist. Die formgebundene Konstruktion ermöglicht eine überaus exakte relative Positionierung des Zahnrads mit der Winkelcodierung gegenüber dem Trägerelement mit vergleichsweise geringem Aufwand, insbesondere weil Toleranzbetrachtungen nur eine formgebundene Abmessung reduziert werden können. Bei herkömmlichen Systemen ist es dagegen nachteiligerweise erforderlich eine umfangreiche Toleranzkette zu berücksichtigen, so dass dort eine Vielzahl von Bauteilen mit relativ geringen Toleranzabweichungen hergestellt werden müssen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Getriebe konstruktiv so ausgestaltet ist, dass das Zahnrad axial vorgespannt, zum Beispiel durch Feder- und/oder Magnetkräfte, am Trägerelement anliegt.

Das Getriebe des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers benötigt grundsätzlich kein separates Getriebegehäuse, weil durch die Erfindung alle Befestigungselemente am Trägerelement fixiert sind. Dadurch kann auf das Getriebegehäuse verzichtet werden, was eine Bauweise mit kleineren Außenabmessungen ermöglicht. Dies ist ein nicht vernachlässigbarer Vorteil, weil bei Messgeräten, wie Multiturn-Drehgebern der permanente Wunsch zur Miniaturisierung besteht. Darüber hinaus können gehäuselose Getriebe automatisiert montiert werden.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
Es zeigen die
1 eine Schnittdarstellung durch einen Multiturn-Drehgeber,
2 eine Draufsicht auf ein Zahnrad mit einer Winkelcodierung,
3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Trägerelements mit Erregerwindungen und Detektorwindungen,
4a-4c Ausführungsvarianten der Anordnung des Zahnrads relativ zum Trägerkörper.
In der 1 ist ein Schnitt durch einen Multiturn-Drehgeber gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Der Multiturn-Drehgeber umfasst demnach eine Eingangswelle 1, welche mit Hilfe einer Schraube 9 drehfest an einer Welle, deren Winkelstellung gemessen werden soll, verbunden werden kann. An der Eingangswelle 1 ist ein erster Codeträger 2 befestigt, welcher im vorgestellten Ausführungsbeispiel als eine Leiterplatte mit einer pe riodischen Abfolge von elektrisch leitenden und nicht leitenden Ringsegmenten ist. Dieser Codeträger 2 rotiert im Betrieb des Multiturn-Drehgebers mit der Eingangswelle 1 relativ zu einem Gehäuse 7.
Am Gehäuse 7 ist ein erstes Trägerelement 6 fixiert, wobei das Trägerelement 6 hier ebenfalls als eine Leiterplatte ausgeführt ist, auf der Leiterbahnen 6.1 angeordnet sind. Eine erste Gruppe der Leiterbahnen 6.1 ist so konfiguriert, dass durch diese als Erregerwindungen ein homogenes elektromagnetisches Feld erzeugt werden kann. Infolge einer Drehbewegung der Eingangswelle 1 und des damit verbundenen ersten Codeträgers 2 wird eine von der Winkelstellung abhängige Modulation des elektromagnetischen Felds erreicht. Diese Veränderungen des Felds werden von einer zweiten Gruppe (Detektorwindungen) der Leiterbahnen 6.1 detektiert. Die derart detektierten Signale enthalten die Information in welcher Winkelstellung sich die Eingangswelle 1 innerhalb einer Umdrehung befindet.
Damit die Winkelstellung über mehrere Umdrehungen hinweg erfasst werden kann weist der Multiturn-Drehgeber ein Getriebe 4 auf, wobei das Getriebe 4 von der Eingangswelle 1 angetrieben wird. Durch die Ermittlung der Winkelstellung einzelner Zahnräder des Getriebes 4, wie die des Zahnrads 4.1, kann dann die Winkelstellung der Eingangswelle 1 über viele Umdrehungen hinweg bestimmt werden. Dabei wirkt das Getriebe 4 als Untersetzungsgetriebe, so dass die Drehzahlen der Zahnräder 4.1, 4.2 kleiner sind als die der Eingangswelle 1.
Gemäß der 2 weist das Zahnrad 4.1 des Getriebes 4 eine Winkelcodierung 4.11 auf, welche zum Zwecke der Bestimmung der Winkelstellung des Zahnrads 4.1 auf dem Zahnrad 4.1 aufgebracht ist. Der Körper des Zahnrads 4.1 besteht hier aus einem glasfaser-gefüllten Epoxy-Material, wie es üblicherweise für Leiterplatten verwendet wird. Die Winkelcodierung 4.11 besteht auch hier aus einer periodischen Abfolge von elektrisch leitenden und nicht leitenden Ringsegmenten 4.11a, 4.11b, wobei im vorliegenden Beispiel nur zwei Ringsegmente 4.11a und 4.11b vorgesehen sind. Das Ringsegment 4.11a wird aus einer Kupferschicht gebildet, während im Bereich des Ringsegments 4.11b keine Beschichtung aufgebracht ist, so dass dort nur das nicht leitende Material des Körpers des Zahnrads 4.1 vorliegt. Das Ringsegment 4.11b ist in der 2 durch zwei bogenförmige gestrichelte Linien eingegrenzt. Diese Darstellung bezieht sich nur auf die Funktion der Winkelcodierung 4.11 und nicht auf eine etwaige Struktur auf dem Zahnrad 4.1. Ferner weist das Zahnrad 4.1 einen Absatz 4.12 auf. Eine mittige Bohrung 4.13 im Zahnrad 4.1 ist zur Aufnahmen eines Stifts 5 der als Befestigungselement dient vorgesehen. Die Bohrung 4.13 für die Aufnahme des Stifts 5 wird hier mit Hilfe gängiger Leiterplattentechnologie, also Herstellungsverfahren, wie sie üblicherweise bei der Fertigung von Leiterplatten angewendet werden, mit minimalen Maßabweichungen relativ zur Winkelcodierung 4.11 vorgenommen. Der Stift 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen zylindrischer Körper mit einer geometrischen Achse A.
Der Multiturn-Drehgeber weist gemäß der 1 eine weitere Leiterplatte 3 auf. Diese Leiterplatte 3 ist ringförmig ausgestaltet, mit einer zentralen Bohrung, durch welche die Eingangswelle 1 geführt ist.
In der 3 ist ein Ausschnitt dieser Leiterplatte 3 gezeigt. Die Leiterplatte 3 dient als Trägerelement für Erregerwindungen 3.1 sowie Detektorwindungen 3.2. Sowohl die Erregerwindungen 3.1 als auch die Detektorwindungen 3.2 sind als Leiterbahnen auf der Leiterplatte 3 ausgestaltet. Die Erregerwindungen 3.1 und die Detektorwindungen 3.2 sind durch weitere in der 3 nicht dargestellte Leiterbahnen mit elektronischen Schaltungen elektrisch verbunden. Bezüglich der Erregerwindungen 3.1 und der Detektorwindungen 3.2 mittig angeordnet, weist die Leiterplatte 3 eine Bohrung 3.3 auf, deren Durchmesser derart bemessen ist, dass der Stift 5 in der Bohrung 3.3 reibschlüssig durch eine Presspassung gehalten werden kann. Die Bohrung 3.3 wird unter Verwendung bekannter Leiterplattentechnologie zusammen mit den Erreger- und Detektorwindungen 3.1, 3.2, sowie den übrigen Leiterbahnen und Durchkontaktierungen hergestellt. Aus diesem Grund ist die Bohrung 3.3 mit überaus exakter Konzentrizität bezüglich den Erreger- und Detektorwindungen 3.1, 3.2 positioniert.
Vor der Montage des Multiturn-Drehgebers wird in die Bohrung 4.13 des Zahnrads 4.1 ein Permanentmagnet 8 eingesetzt, welcher dann axial unverschieblich in der Bohrung 4.13 ruht (1).
Auf den relativ zur Leiterplatte 3 fest stehenden Stift 5, der hier aus einem ferromagnetischen Material besteht, wird bei der Montage des Multiturn-Drehgebers das Zahnrad 4.1 aufgeschoben bis der Absatz 4.12 die Leiterplatte 3 berührt. Auf diese Weise ist das Zahnrad 4.1 durch den Stift 5 sowohl radial fixiert als auch axial gesichert. Dabei kommt die Drehachse des Zahnrads 4.1 auf der Achse A des Stiftes 5 zu liegen, bzw. die Achse A des Stiftes 5 durchdringt das Zahnrad 4.1 auf dessen Drehachse. Dadurch, das die Bohrung 3.3 der Leiterplatte 3 und die Bohrung 4.13 des Zahnrads 4.1 überaus exakt gesetzt sind, ist eine hochgenaue Konzentrizität zwischen den Erreger- und Detektorwindungen 3.1, 3.2 und der Winkelcodierung 4.11 gegeben.
Damit sichergestellt ist, dass der gewünschte Abtastspalt h zwischen der Winkelcodierung 4.11 des Zahnrads 4.1 einerseits und der Erregerwindungen 3.1 und Detektorwindungen 3.2 andererseits exakt gleich bleibt, wird durch die magnetischen Anziehungskräfte zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem ferromagnetischen Stift 5 eine axiale Vorspannung erzeugt. Diese drückt den Absatz 4.12 gegen die Leiterplatte 3. Alternativ dazu kann auch durch eine Feder eine entsprechende Vorspannkraft erzeugt werden. Durch den Absatz 4.12 wird somit formgebunden der minimale Abtastspalt h definiert.
Der Außendurchmesser des Stifts 5 und der Innendurchmesser der Bohrung 4.13 sind dabei so gewählt, dass eine Relativdrehung des Zahnrads 4.1 gegenüber dem stehenden Stift 5 ohne Radialspiel möglich ist.
In den 4a bis 4c sind weitere Varianten zur Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Bei allen Varianten wurde anstatt des Permanentmagneten 8 ein Federelement 8', hier ein Zackenring, zur axialen Vorspannung des Zahnrads 4.1 gegenüber der Leiterplatte 3 verwendet. Das Federelement 8' stützt sich dabei an der Mantelfläche des Stifts 5 unter Einleitung axialer Kräfte ab. Der Stift 5' kann hier aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich auch bei Temperaturschwankungen die Presspassung unter dem Einfluss von Vibrationen nicht lockert, weil die Aluminiumlegierung einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffzienten aufweist wie das Leiterplattenmaterial (bezogen auf Richtungen in der Ebene der Leiterplatte).
In der 4b ist der Stift 5' mit einem Bund 5.12 versehen, dessen axiales Maß formgebunden gleichzeitig den minimalen Abtastabstand h definiert: Alternativ dazu weist gemäß der 4c die Leiterplatte 3 einen Absatz 3.12 auf, durch welchen ebenfalls formgebunden das Minimum des Abtastabstand h definiert wird.
Natürlich kann der Multiturn-Drehgeber auch so ausgestaltet sein, dass der als Befestigungselement dienende Stift 5, 5' nicht als separates Bauteil vorliegt, sondern beispielsweise in das Zahnrad 4.1 oder in die Leiterplatte 3 integriert ist.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist es nunmehr möglich mit vergleichsweise wenig Aufwand einen exakten Abtastspalt h zu gewährleisten. Dabei muss lediglich die Höhe des Absatzes 2.12, bzw. des Bundes 5.12 oder des Absatzes 3.12 der Leiterplatte 3 mit der erforderlichen Toleranz hergestellt werden.

Claims

Multiturn-Drehgeber mit – einer Eingangswelle (1) an der zur Erfassung ihrer Winkellage drehfest ein erster Codeträger (2), befestigt ist, der von einer ersten Detektoreinrichtung (6.1) abtastbar ist, – einem Getriebe (4), welches derart konfiguriert ist, dass bei drehender Eingangswelle (1) die Drehzahl eines dem Getriebe (4) zugeordneten Zahnrads (4.1) kleiner ist als die Drehzahl der Eingangswelle (1), wobei das Zahnrad (4.1) eine Winkelcodierung (4.11), bestehend aus elektrisch leitenden und nicht leitenden Bereichen (4.11a, 4.11b), aufweist, – einem Trägerelement (3), auf welchem • mindestens eine Erregerwindung (3.1) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes angeordnet ist, und • mindestens eine Detektorwindung (3.2) angeordnet ist zur Abtastung des durch die Winkelcodierung (4.11) des Zahnrads (4.1) modulierten Feldes, wobei das Zahnrad (4.1) relativ zum Trägerelement (3) drehbar durch ein Befestigungselement (5) radial fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) am Trägerelement (3) fixiert ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) eine Leiterplatte ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Erregerwindung (3.1) und die mindestens eine Detektorwindung (3.2) auf dem Trägerelement (3) als Leiterbahnen ausgestaltet sind.
Multiturn-Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (4.1) aus Leiterplattenmaterial besteht auf dem in Leiterplattentechnologie die Winkelcodierung (4.11) aufgebracht ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (4.1) relativ zum Befestigungselement (5) drehbar angeordnet ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) relativ zum Trägerelement (3) drehfest fixiert ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) reibschlüssig am Trägerelement (3) fixiert ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtastspalt (h) mit Hilfe einer formgebundenen Konstruktion definiert ist.
Multiturn-Drehgeber gemäß dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad (4.1) einen Absatz (4.12) aufweist, welcher am Trägerelement (3) berührend anliegt und so den Abtastspalt (h) formgebunden definiert.
Multiturn-Drehgeber gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (4) konstruktiv so aus gestaltet ist, dass das Zahnrad (4.1) axial vorgespannt am Trägerelement (3) anliegt.
Multiturn-Drehgeber gemäß dem Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Vorspannung durch ein Federelement (8') erreichbar ist.