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Die Erfindung betrifft eine Drehgeberbauteilgruppe, wie sie während der Montage eines Drehgebers oder eines Winkelmessgeräts vorliegt, gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 9.
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Ein Drehgeber bzw. ein Winkelmessgerät besteht grundsätzlich aus einem Teilungsträger und einer Detektoranordnung zur Abtastung der Teilung des Teilungsträgers. Die Detektoranordnung erzeugt dabei positionsabhängige Abtastsignale. Die Qualität dieser Abtastsignale ist abhängig vom Abstand zwischen dem Teilungsträger und der Detektoranordnung. Bei den heute geforderten Messschritten ist eine Teilungsperiode der Teilung von wenigen µm erforderlich. Je kleiner die Teilungsperiode ist, desto genauer muss ein vorgegebener vom Abtastprinzip abhängiger Abtastabstand eingestellt werden.
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Die so genannten modular aufgebauten Drehgeber haben Vorteile im Hinblick auf die Herstellungskosten und wegen des platzsparenden Einbaus. Bei einem modular aufgebauten Drehgeber weist der Drehgeber keine eigene Lagerung bzw. Führung für den Teilungsträger auf, die Zuordnung zwischen der Detektoranordnung und dem Teilungsträger ist somit nicht vorgegeben und muss durch Einstellmittel bei der Montage an die zu messenden Objekte justiert werden. Modular aufgebaute Winkelmesseinrichtungen ohne eigene Lagerung werden auch als Einbaudrehgeber bezeichnet.
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Aus der
DE 3205544 A1 (
6) ist eine Vorrichtung bekannt, bei welcher die axiale Stellung eines rotierenden Teilungsträgers durch eine Gewindeanordnung justierbar ist.
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In der
DE 3740744 A1 ist ein Verfahren zur Überführung einer eingestellten Lage von einer vergleichsweise komplexen Justiervorrichtung auf eine externe Antriebseinheit für eine Winkelmesseinrichtung beschrieben. Die Justiervorrichtung ist dort so konfiguriert, dass die Justierung bereits im Werk des Herstellers der Winkelmesseinrichtung vorgenommen werden kann.
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Gemäß der
DE 4304914 A1 ist eine Winkelmesseinrichtung bekannt, bei der mit Hilfe einer einstückigen Montagevorrichtung werksseitig eine axiale und radiale Lagezuordnung zwischen einer Abtasteinheit und einer Teilscheibe vorgenommen wird.
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Die
DE102006045792 A1 betrifft eine Winkelmesseinrichtung mit einer selbstzentrierenden Nabe, wobei dort mit einem Klemmstück und einem Klemmkörper eine Zentrierung der Nabe mit Teilscheibe erreicht wird. Das Klemmstück und der Klemmkörper verbleiben im Betrieb in der Winkelmesseinrichtung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehgeberbauteilgruppe anzugeben, welche eine exakte axiale Positionierung eines Teilungsträgers ermöglicht und wirtschaftlich herstellbar ist, bzw. eine einfache und exakte Positionierung des Teilungsträgers ermöglicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine mit Drehgeberbauteilgruppe den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 9.
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Demgemäß umfasst die Drehgeberbauteilgruppe eine Welle mit einer Achse und einen Teilungsträger, welcher eine Teilung aufweist. Weiterhin umfasst die Drehgeberbauteilgruppe eine Vorrichtung zum axialen Positionieren des Teilungsträgers relativ zur Welle in einem vorgegebenen Abstand von einer Bezugsfläche. Dabei umfasst die Vorrichtung ein erstes Element und ein zweites Element. Der gewünschte Abstand ist durch axiale Aneinanderreihung der Elemente herstellbar, wobei die Elemente in der aneinander gereihten Anordnung einerseits in Kontakt mit mehreren voneinander beabstandeten Bezugspunkten des Teilungsträgers und andererseits mit der Bezugsfläche sind. Das zweite Element ist so verschiebbar, dass nach dem Verschieben des zweiten Elements das erste Element axial bewegbar ist zum Entnehmen des ersten Elements nach erfolgtem Positionieren des Teilungsträgers. Somit wird also nach dem Verschieben des zweiten Elements Raum zum axialen Bewegen des ersten Elements frei gegeben, um den Kontakt zwischen dem ersten Element und den Bezugspunkten des Teilungsträgers wieder lösen zu können. Danach kann das erste Element beispielsweise in radialer Richtung von der Welle entfernt werden.
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Die Verbindungslinien der Bezugspunkte des Teilungsträgers mit der Achse weisen mit Vorteil einen Winkelabstand von mindestens 30°, insbesondere mindestens 60° auf. Bei Vorliegen von einer Anzahl n von Bezugspunkten kann der Winkelabstand mit Vorteil auch durch den Zusammenhang: Winkelabstand = 360°/n festgelegt werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Summe aller Winkelabstände größer 180°beträgt.
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Es liegen hier mehrere, mit Vorteil drei, Bezugspunkte des Teilungsträgers vor, so dass bei Kontakt des Teilungsträgers mit dem ersten Element der Teilungsträgers auch bezüglich einer Ebene ausgerichtet wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn der Teilungsträger gegenüber der Welle ein radiales Spiel aufweist. Radiale Spiele können aus fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft sein, weil eine derartige Paarung mit vergleichsweise wenig Aufwand herstellbar ist. Gleichzeitig kann der Spalt zwischen Welle und dem Teilungsträger als Klebespalt verwendet werden, sofern der Teilungsträger mit Hilfe einer Verklebung an der Welle drehstarr festgelegt wird.
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Mit Vorteil ist die Drehgeberbauteilgruppe so ausgestaltet, dass in der aneinander gereihten Anordnung der Elemente das erste Element mit Bezugspunkten des Teilungsträgers und das zweite Element mit der Bezugsfläche in Kontakt sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Teilungsträger Ausnehmungen auf, die sich in Richtung der Achse erstrecken, wobei in die Ausnehmungen Gegenstücke, etwa Stifte, des ersten Elements einführbar sind, so dass Auflagerpunkte an den Gegenstücken mit den Bezugspunkten des Teilungsträgers in Kontakt sind. Dabei können die Auflagerpunkte an konischen oder runden Enden der Gegenstücke zu liegen kommen. Im Zusammenhang mit einem derartigen axialen Eintauchen des ersten Elements in den Teilungsträger, insbesondere der Gegenstücke in das zweite Bauteil des Teilungsträgers, ist die Erfindung besonders vorteilhaft.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist zumindest das erste Element eine Einbuchtung zur Aufnahme der Welle auf, wobei mit Vorteil auch das zweite Element eine Einbuchtung zur Aufnahme der Welle aufweist.
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Der Teilungsträger kann ein erstes und ein zweites Bauteil umfassen, wobei dann auf dem ersten Bauteil eine Teilung aufgebracht sein kann und das zweite Bauteil als Nabe ausgebildet sein kann.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weist das zweite Bauteil die Ausnehmungen, die insbesondere als Bohrungen ausgestaltet sein können, auf. Dabei können die Bohrungen als Durchgangsbohrungen ausgestaltet sein, so dass also dann die Gegenstücke des ersten Elements durch die Ausnehmungen hindurch geführt werden und an Bezugspunkten auf dem ersten Bauteil des Teilungsträgers mit ihren Auflagerpunkten anschlagen. In diesem Fall weist dann beispielsweise das erste Bauteil die Bezugspunkte auf.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Bezugspunkte auf derselben Oberfläche liegen wie die Teilung, also beispielsweise auf derjenigen Oberfläche des ersten Bauteils, welche zur Bezugsfläche weist.
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Mit Vorteil liegen die Bezugspunkte des ersten Bauteils nicht auf der Teilung, insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Bezugspunkte des ersten Bauteils radial innerhalb der Teilung liegen.
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Zur Vermeidung von Beschädigungen der Teilung infolge einer Berührung durch das erste Element kann die Drehgeberbauteilgruppe so ausgestaltet sein, dass der Teilungsträger eine Teilung aufweist, welche radial außerhalb einer Kreislinie mit einem vorgegebenen Radius r2 auf dem Teilungsträger aufgebracht ist und der Abstand r1 der Bezugspunkte zur Achse jeweils kleiner oder gleich ist wie der Radius r2. Das heißt, dass bei etwaigen unterschiedlichen Abständen r1 der größte Abstand kleiner oder gleich ist wie der Radius r2. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang auch zu beachten, dass das erste Element vor oder beim Entnehmen axial vom Teilungsträger weg bewegt wird, so dass also Beschädigungen der Teilung durch das Entnehmen wirksam vermieden werden.
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Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum axialen Positionieren des Teilungsträgers relativ zu einer Welle in einem vorgegebenen Abstand von einer Bezugsfläche, mit Hilfe einer Vorrichtung, welche ein erstes Element und ein zweites Element umfasst. Zur Herstellung des Abstands werden dabei die Elemente axial aneinander gereiht bzw. gestapelt. Weiterhin werden die Elemente einerseits in Kontakt mit mehreren Bezugspunkten des Teilungsträgers und andererseits in Kontakt mit der Bezugsfläche gebracht. Nach derartig erfolgtem Positionieren des Teilungsträgers durch die Anschlagfunktion der beiden Elemente wird das zweite Element verschoben, insbesondere in radialer Richtung entfernt. Auf diese Weise kann danach das erste Element axial bewegt werden. Schließlich wird nach der axialen Bewegung des ersten Elements das erste Element entnommen.
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In Weiterbildung des Verfahrens werden die Elemente so aneinander gereiht, dass das erste Element mit Bezugspunkten des Teilungsträgers und das zweite Element mit der Bezugsfläche in Kontakt sind.
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Das Verfahren kann so ausgestaltet werden, dass der Teilungsträger Ausnehmungen aufweist, die sich in Richtung der Achse erstrecken, wobei in die Ausnehmungen Gegenstücke des ersten Elements eingeführt werden, so dass Auflagerpunkte an den Gegenstücken mit den Bezugspunkten des Teilungsträgers in Kontakt sind.
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Erfindungsgemäß wird der Teilungsträger nach dessen Positionieren drehfest an der Welle festgelegt, insbesondere durch einen Klebeprozess.
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Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Teilung des Teilungsträgers optisch abgetastet wird. Die Teilung kann aber auch so ausgestaltet sein, dass diese alternativ kapazitiv, induktiv oder magnetisch abtastbar ist.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
- 1a eine Schnittdarstellung der Drehgeberbauteilgruppe mit einer Vorrichtung zum Positionieren des Teilungsträgers,
- 1b eine Draufsicht auf die Drehgeberbauteilgruppe mit der Vorrichtung zum Positionieren des Teilungsträgers,
- 2 eine Seitenansicht des Drehgebers mit Abtasteinheit.
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Im hier vorgestellten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im Zusammenhang mit einem Drehgeber, welcher zum Anbau an eine Antriebseinheit - insbesondere an einen elektrischen Stellmotor - ausgelegt ist dargestellt. Der Begriff Drehgeber umfasst ausdrücklich auch Winkelmesssysteme bzw. Winkelmessgeräte, wobei diese Terminologie häufig für hochgenaue Drehgeber verwendet wird. Durch die Erfindung wird gerade eine überaus hohe Genauigkeit bei der Montage eines Drehgebers erreicht, so dass die Erfindung selbstredend für Winkelmesssysteme bzw. Winkelmessgeräte nützlich anwendbar ist.
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Zunächst muss ein Teilungsträger 2 mit ausreichender Genauigkeit an eine Welle 1 montiert werden, wobei zu diesem Zweck eine speziell konstruierte Drehgeberbauteilgruppe verwendet wird.
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In der 1a ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Drehgeberbauteilgruppe im Schnitt dargestellt. Der Teilungsträger 2 besteht aus einer ringförmigen Teilscheibe 2.1 und einer Nabe 2.2. Die Teilscheibe 2.1 ist als ein Glasring ausgestaltet, auf dessen Unterseite (bezogen auf die 1a) eine Teilung 2.11 in Form von Teilungsstrichen aufgebracht ist. Der Übersichtlichkeit halber ist in der 1b nur ein kleiner Teilsektor der Teilung 2.11 dargestellt. In der Realität besteht die Teilung 2.11 aus radial ausgerichteten Strichen, welche in einem Bereich von 360°, also über den vollen Umfang der Teilscheibe 2.1, angeordnet sind. Der innere Abstand der Teilungsspur, bzw. der Striche der Teilung 2.11 zur Achse A, bzw. der entsprechende Radius beträgt r2. Innerhalb dieses Abstands ist eine geometrische Kreislinie mit dem Radius r1 angeordnet, die im Folgenden als Bezugslinie R bezeichnet wird.
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Die Nabe 2.2 umfasst eine zentrale Bohrung, die gegenüber der Welle 1 ein Übermaß aufweist. Dadurch wird eine fertigungstechnisch günstige Spielpassung zwischen der Nabe 2.2 und de Welle 1 erreicht. Zudem erlaubt der Spalt zwischen der Nabe 2.2 und de Welle 1 das Verwenden eines Klebers, wie weiter unten noch beschrieben.
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Durch die Spielpassung können indessen die Nabe 2.2 und die Teilscheibe 2.1 relativ zur Welle 1 leicht verkippt werden. Weiterhin sind in die Nabe 2.2 drei um 120° versetzte Ausnehmungen, hier Bohrungen 2.21, eingearbeitet, die im vorgestellten Ausführungsbeispiel als Durchgangsbohrungen ausgebildet sind und parallel zur größeren zentralen Bohrung verlaufen.
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Die einzelnen Montageschritte des Teilungsträgers 2 an der Welle 1 können anhand der 1a und 1b erläutert werden. In der 1b ist eine Draufsicht auf die Drehgeberbauteilgruppe dargestellt, wobei zu berücksichtigen ist, dass die Teilscheibe 2.1 transparent ist.
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Im ersten Montageschritt muss der Teilungsträger 2, insbesondere müssen die Striche der Teilung 2.11, in exaktem axialen Abstand z zu einer Bezugsfläche B des stationären Teils 4 und relativ zur Welle 1 positioniert werden. Hierzu dient eine spezielle Vorrichtung 3. Diese Vorrichtung 3 umfasst zwei separate und eigenständige Elemente, nämlich ein erstes Abstandsstück 3.1 und ein zweites Abstandsstück 3.2. Beide Abstandsstücke 3.1, 3.2 weisen jeweils eine Einbuchtung 3.11, 3. 21 auf.
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Das erste Abstandsstück 3.1 weist zudem drei Passstifte 3.12 auf, die an einem Ende konisch bzw. halbkugelförmig ausgestaltet sind. An den betreffenden Enden der Passstifte 3.12 liegt definitionsgemäß jeweils ein Auflagerpunkt P vor. Die Passstifte 3.12 sind so im ersten Abstandsstück 3.1 befestigt, dass der Abstand von den Auflagerpunkten P zur gegenüberliegenden Stirnseite des ersten Abstandsstücks 3.1 eine exakte Höhe z1 erreicht.
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Das zweite Abstandsstück 3.2 ist so dimensioniert und gefertigt, dass dieses eine exakte Höhe z2 aufweist.
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Im ersten Montageschritt wird zunächst das zweite Abstandsstück 3.2 radial in Richtung der Achse A bewegt, so dass die Einbuchtung 3.22 die Welle 1 seitlich umgibt. Danach wird das erste Abstandsstück 3.1 auf das zweite Abstandsstück 3.2 aufgesetzt, wobei nun auch dessen Einbuchtung 3.12 die Welle 1 umgibt. Der so hergestellte „Stapel“ aus den axial aneinander gereihten Abstandstücken 3.1, 3.2 weist eine Höhe auf, die dem optimalen axialen Abstand z der Teilung 2.11 zur Bezugsfläche B entspricht. Die Höhe entspricht also dem Abstand z zwischen der Bezugsfläche B und den Auflagerpunkten P.
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Danach wird der Teilungsträger 2 so auf die Welle 1 aufgeschoben, dass die Passstifte 3.12 in die Bohrungen 2.21 eintauchen, bis die Auflagerpunkte P die Bezugslinie R bzw. Bezugspunkte PR auf der Teilscheibe 2.1 berühren. Die Teilung 2.11 liegt also dann auf jener Seite der Teilscheibe 2.1, die der Bezugsfläche B zugewandt ist.
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Die Auflagerpunkte P befinden sich dabei auf der kreisförmigen Referenzlinie R, die den Radius r1 aufweist. Der Radius r1 ist kleiner als der Radius r2 der Teilung 2.11 zur Achse A. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass die Auflagerpunkte P der Passstifte 3.12 die Teilscheibe 2.1 in einem Bereich berühren, wo keine Striche der Teilung 2.11 aufgebracht sind, so dass eine Beschädigung der Teilung 2.11 durch den Kontakt mit den Passstiften 3.12 ausgeschlossen ist. Der Winkelabstand α zwischen den drei Bezugspunkten PR beträgt hier jeweils α = 360°/3 = 120°.
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In dieser Stellung ist bereits der ideale Abstand z hergestellt. In diesem Zusammenhang ist es bezüglich der präzisen axialen Positionierung des Teilungsträgers 2 von Vorteil, dass Maßtoleranzen der Nabe 2.2 keine Rolle spielen, da die Bezugspunkte PR auf der Oberfläche der Teilscheibe 2.1 liegen. Hinzu kommt, dass die Bezugspunkte PR außerdem auf der gleichen Oberfläche zu liegen kommen, auf welcher auch die Teilung 2.11 aufgebracht ist. Somit haben Dickentoleranzen der Teilscheibe 2.1 keine Bedeutung für den relevanten Abstand z. Mit anderen Worten kann durch die beschriebenen Maßnahmen die Teilung 2.11 in exaktem Abstand z, bzw. exakter Höhe bezüglich der Bezugsfläche B montiert werden.
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Weiterhin wird durch die Drehgeberbauteilgruppe erreicht, dass sich überdies eine bezüglich der Achse A orthogonale Lage der Teilscheibe 2.1 einstellt, weil sowohl die Bezugsfläche B als auch die beiden Abstandsstücke 3.1, 3.2 zusätzlich in dieser Hinsicht exakt hergestellt sind und die drei Auflagerpunkte P in einer Ebene parallel zur Bezugsfläche B zu liegen kommen. Folglich erstrecken sich die Bohrungen 2.21 in Richtung der Achse A.
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In diesem Stadium der Montage kann der Teilungsträger 2 an der Welle 1 drehstarr festgelegt werden. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel wir zu diesem Zweck die Nabe 2.2 mit der Welle 1 verklebt. Dabei wird der Kleber in den ohnehin vorhandenen Spalt zwischen der Welle 1 und der Nabe 2.2 eingeführt.
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Sobald der Kleber ausgehärtet ist, kann das zweite Abstandsstück 3.2 radial von der Welle 1 abgezogen werden. Wenn das zweite Abstandsstück 3.2 entfernt ist, gleitet das erste Abstandsstück 3.1 durch die Schwerkraft axial in Richtung der Bezugsfläche B, so dass die Passstifte 3.12 die Bohrungen 2.21 der Nabe 2.2 vollständig verlassen.
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Danach kann auch das erste Abstandsstück 3.1 unter Nutzung der Einbuchtung 3. 21 radial entfernt werden.
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Abschließend kann gemäß der 2 eine Detektoranordnung 5 drehstarr an der Bezugsfläche B angebaut werden. Eine exakte radiale Ausrichtung der Detektoranordnung 5 kann durch entsprechende mechanische Anschläge erreicht werden.
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Die Detektoranordnung 5 ist so ausgestaltet, dass diese die Teilscheibe 2.1 in einem Teilbereich umgreift. Im Inneren der Detektoranordnung 5 befindet sich eine Lichtquelle und eine Linsenoptik, so dass die Teilscheibe 2.1 in der 2 von oben her vom Licht der Lichtquelle durchstrahlt wird. Entsprechend tritt das Licht zuerst durch das Glas der Teilscheibe 2.1 hindurch und trifft dann auf die Teilung 2.11. Das durch die Teilung 2.11 modulierte Licht tritt dann wieder in die Detektoranordnung 5 ein und passiert ein Abtastgitter bevor es durch Fotodetektoren empfangen und in elektrische Signale umgewandelt wird. Auf diese Weise kann die Drehstellung der Welle 1 gegenüber dem stationären Teil 4 des Motors gemessen werden, z. B. für automatisierte Positionierungsbewegungen der Welle 1.