CN101354247A - 带有角度标度的物体和它的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，用于机器零件(8)围绕着轴线(Z)的旋转位置的测量，其中物体在它的内圆周上具有凹槽(3、4、4’)和凸起(5、6)，并且至少凹槽(3)中的一个适合于在机器零件(8)上旋转牢固的形状连接固定。与此同时各自通过凸起(5、6)的起点和终点(Sεi、Eεi、Sεi’、Eεi’)确定的圆心角(εi、εi’)的总和小于各自通过凹槽(3、4、4’)的起点和终点(Sαi、Eαi、Sαi’、Eαi’)确定的圆心角(αi、αi’)的总和。此外本发明也包括在机床高速运行的轴(8)上、用于轴(8)的旋转位置测量的、这样的物体的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的带有角度标度的物体，尤其是该物体例如可以在角度测量系统中使用。此外本发明涉及一种根据权利要求10所述的、用于在机床高速运行的轴上旋转位置测量的、带有角度标度物体的应用。
背景技术
这样的角度测量系统用作机器零件，例如轴的旋转运动或者旋转位置的测量，那么一个带有角度标度的物体被抗扭地固定在轴上。角度标度例如可以具有相应地可以被探测的光学的、或者磁性的分度。此外旋转运动要么增量地要么绝对地被检测，输出的测量值例如是计数脉冲的序列、计数器值或者代码组合。相应的角度测量系统尤其是被应用在机床高速运行的主轴上。这样的主轴越来越多地被以高转速，例如直到超过每分钟40000转运行，为了例如通过切削加工的机床达到一流的工件表面。被安装在这样的主轴上的旋转零件的机械负荷相应的很大。尤其是通常带有角度标度的、尤其是带有磁性分度的环形物体旋转牢固地与主轴相连接，因此遭受到这种巨大的离心力。这是一个持久的目标，设计带有角度标度的物体，该物体能承受住在高转速基础上的负荷，并且该物体尤其是在该负荷下具有所需要的疲劳强度。该要求尤其是来自于技术安全的考虑。
本发明从现有技术出发，如它在专利文件US4257040中公开的。那里表示了一种带有角度标度的物体，该物体作为旋转的元件可形状吻合地被固定在轴上。
但是带有角度标度的旋转物体的这样的布置具有缺点，在高转速时，例如在高速运转的机器零件中，尤其是在轴中出现的高转速，物体的允许最大转速不足够大，或者没有被给予它必需的疲劳强度。
发明内容
因此本发明以该任务为依据，提出一种用于机器零件旋转位置测量的带有角度标度的物体，该物体尤其是由此而突出，它适合于极高的最大转速。
此外本发明以该任务为依据，测定机床高速运行的轴的旋转位置。
该任务通过根据权利要求1所述的带有角度标度的物体，以及通过根据权利要求10所述的物体的应用获得解决。
因此根据本发明的带有角度标度的环形物体适合于围绕着轴线的机器零件旋转位置的测量。此外物体在它的内圆周上具有径向凹槽和凸起。至少凹槽中的一个适合于在机器零件上旋转牢固的形状连接固定。此外各自通过凸起的起点和终点确定的圆心角的总和小于各自通过凹槽的起点和终点确定的圆心角的总和。
圆心角的概念在下面尤其是被理解为在环形物体之内围绕着在轴线上的一个点的中心角。
事实表明，用带有根据本发明的角度标度的物体可以达到非常高的允许转速，并且环形物体具有在相应高的转速时所需要的疲劳强度。
这尤其是有利的，当带有角度标度的环形物体这样布置，以使各自通过凹槽的起点和终点确定的圆心角的总和大于220°，尤其是大于240°，大于270°或者300°更有利。
在本发明的其它的布置中至少用于在机器零件上旋转牢固的形状连接固定的凹槽具有带有最小的轮廓半径Ry的几何尺寸。其它的凹槽具有最小的轮廓半径Rx，以使Ry＜Rx的条件被满足。那么其它的凹槽通常不是用于机器零件的转矩到物体上的传递，而是结构上仅仅设计用于允许转速的提高或者用于疲劳强度的提高。
如果用于在机器零件上旋转牢固的形状连接固定的相关的凹槽具有几个轮廓半径，这里尤其是最小的轮廓半径Ry关系重大。但是也可能用于在机器零件上旋转牢固的形状连接固定的凹槽只具有一个轮廓半径Ry，例如当相关的凹槽构成半圆形时，用于容纳在横剖面上为圆形的销钉。在这种情况下那么(唯一的)轮廓半径也是决定性的。
带有角度标度的环形物体这样设计是有利的，用于物体在机器零件上旋转牢固的形状连接固定的凹槽的底部和轴线之间的最小间距小于或者等于在其它的凹槽的底部和轴线之间的最小间距。最小间距的概念理解为到轴线的最短距离，那么因此从轴线到这一确定间距的点的距离是与轴线正交对准的。其它凹槽的底部是这一几何形状区域，该区域在凹槽之内与轴线保持最远的间距。
在环形物体的几何尺寸的其它的布置中，物体的外半径与它的内半径的比小于2，尤其是小于2.25或者1.75。因为原则上恰恰在这样狭窄的环形物体中材料应力特别高。
环形物体这样布置是有利的，它的角度标度布置在物体的外套侧面上。但是本发明对此可选择方案也包括物体在它的端面上布置角度标度，例如用径向排列的刻度结构或者分度结构。
物体被制成整体地是有利的。整体的概念在下面理解为，那么所描述的物体由一件组成，因此该物体例如可以通过切削加工的过程被从一种钢材制作出来。通过整体的结构可以对允许的最大转速起到有利的影响。
角度标度可以作为单独的环固定在环形物体上，或者直接涂敷在物体上。例如角度标度可以由磁性区域组成，该区域直接通过物体的相应的磁化产生。
角度标度在环形物体上的直接涂敷例如也可以用一个激光烧蚀过程进行。为了这一目的，物体的外套侧面涂上一种特殊的覆盖层，并且然后进行单个刻度线烧蚀。因此角度标度然后可以用光学原理探测。也可以通过光刻技术方法或者压印方法直接在物体上制作角度标度。
可选择方案，角度标度作为单独的环固定在环形物体上是有利的，尤其是当对于该环使用特殊的、制造带有大的场强的磁性分度结构的磁性材料时。
在其它的布置中，用于物体在机器零件上形状吻合的抗扭固定的凹槽可以构成例如用于半圆键、配合键或者导向键的键槽。可选择方案，物体在机器零件上的形状吻合的抗扭固定可以用多槽型材或者销钉连接建立。
根据本发明的一个另外的方面，用于轴的旋转位置测量，提出了在高速运行的机床轴上带有角度标度的、相应的构成环形的物体的应用。高速运行的轴的概念，轴被理解为在运行中可以最低每分钟10000转，尤其是最低每分钟20000转或者最低每分钟30000转旋转。尤其是当机床是一台切削加工机床时，在这一相互关系中是有利的，因为这样的机床经常具有极高的最大主轴转速。相应地它具有优点，环形物体被固定在轴上，该轴可以连接在切削加工刀具上。
根据本发明的、带有角度标度的物体的有利的结构形式由根据权利要求1和权利要求10的权利要求中所述的特征得知。
附图说明
其它的优点，以及根据本发明的带有角度标度的物体的细节借助于附图由下面的实施例的说明中获得。
图1表示的是根据本发明的带有角度标度的物体的透视图，
图2a表示的是根据第一个实施例，沿着径向方向通过带有角度标度的物体的横截面图，
图2b表示的是根据第一个实施例，带有角度标度的物体的俯视图，
图3表示的是根据第一个实施例，带有对相应的圆心角的说明的、带有角度标度的物体的俯视图，
图4表示的是根据第一个实施例，在装配状态下的、带有角度标度的物体的俯视图，
图5表示的是根据第二个实施例，在装配状态下的、带有角度标度的物体的俯视图。
具体实施方式
根据图1至图5所示，在实施例中，相应的物体1、1’在它的内圆周上包括两个用于形状吻合地抗扭地固定在机器零件上、这儿是固定在轴8上的凹槽。尤其是这里该凹槽布置成按照DIN6885标准的键槽。键7可以被装入键槽中。环形物体1、1’或者轴8可以围绕着中心轴线Z旋转。为了测量轴8围绕着轴线Z的旋转位置，环形物体1在外套侧面装有角度标度2。在本例中角度标度2具有磁性分度，尤其是这里使用了一个单独的、带有交替的超过圆周磁化区域的铁磁性环。铁磁性环例如由带有铁、铬、钴和钼组分的合金组成，而物体1由高强度的轴承钢制造。此外铁磁性环与物体1、1’外套侧面通过焊接固定。
物体1、1’自身具有一个大约73.8毫米的外经(Ra＝36.9毫米)，其中另外铁磁性环具有0.8毫米的厚度Ts。
角度标度2这样布置，以使可以探测物体1、1’围绕着轴线Z的旋转位置，即角度标度2的磁性标记，在环形物体围绕着轴线Z旋转时具有一个沿着圆周方向或者旋转方向的偏移。在图示的实施例中角度标度2如此布置，以致角度标度2的磁性探测可通过一个磁致敏感的探测头进行。
根据第一个实施例(图1至4)，物体1在它的内圆周上，在键槽3的旁边具有另外的凹槽4。该凹槽不是用于在轴8上的固定，而只是由于提高物体1的允许转速或者疲劳荷重能力的原因而设计的。因此物体1在键槽3和凹槽4之间具有凸起5，凸起针对物体1的轴向膨胀在中间包含一个定中心轴环5.1。该定中心轴环5.1加工的极其精确，并且用作轴8的接触面。此外在内圆周上，在单个的凹槽4之间设有凸起6。该凸起6也同样在轴向中间各自有一个精确加工的定中心轴环6.1。相应地轴8在装配状态下，沿着断续的接触线贴紧在定中心轴环5.1、6.1上。
根据图3所示，与键槽3和凹槽4相比，可以说明凸起5、6的相对分配。为了研究这一问题可以引入圆心角α、ε，圆心角在本例中描述的是在两个从轴线Z径向向外指向的直线之间的夹角，这些直线通过确定的起点Sα1到Sα8、Sε1到Sε8或者终点Eα1到Eα8、Eε1到Eε8在物体1的内圆周上走向。由于一目了然的原因，在图3中放弃了所有起点和终点Sα1到Sα8、Sε1到Sε8、Eα1到Eα8、Eε1到Eε8的标志，因此在图3中只表示了起点Sε3、Sα3、Sε4和Sα4、以及终点Eα2、Eε3、Eα3和Eε5。在介绍的实施例中起点Sα1到Sα8、Sε1到Sε8、始终位于终点Eα1到Eα8、Eε1到Eε8上。例如终点Eα2位于起点Sε3上。
在本实施例中定义了两组圆心角α、ε。第一组包括各自通过在键槽3或者凹槽4上的起点Sαi和终点Eαi确定的圆心角αi。那么第二组包括各自通过凸起5、6的起点Sεi和终点Eεi确定的圆心角εi。尤其是这里起点Sαi、Sεi和终点Eαi、Eεi同时是这一点，在该点上存在关于轴8贴紧在物体1上和不贴紧在物体1上的过渡。那么键槽3或者凹槽4位于起点Sαi和终点Eαi之间，而凸起5、6位于起点Sεi和终点Eεi之间。如已经说明的，这里在每个起点Sα1到Sα8、Sε1到Sε8上也有一个终点Eα1到Eα8、Eε1到Eε8。如在图3中所示，那么例如点Eα2与Sε3是叠合的。
那么第二组圆心角εi的大小由各自圆弧的长度导出，沿着该弧轴8贴紧在凸起5、6上，并且内半径Ri从那算起。因此例如圆心角εi，通过该圆心角确定与圆周相关的定中心轴环5.1的长度和内半经Ri，其中在本实施例中ε1＝2°。由于对称的原因圆心角ε2、ε5、ε6同样具有值2°。
同样的适用于较宽的凸起6.1，其中这里以每个12°产生了较大的圆心角ε3、ε4、ε7、ε8，因为在同样的内半经Ri时存在较长的定中心轴环5.1。
因此那么各自通过凸起5、6的起点Sεi和终点Eεi确定的圆心角εi的总和为56°。由此已经可以确定各自通过在键槽3上或者在凹槽4上的起点Sαi和终点Eαi确定的圆心角αi的总和。因为在实施例中键槽3或者凹槽4是规定沿着物体1的内接触线不与轴8接触的区域。因此圆心角αi的总和为360°-56°＝304°。
详细地圆心角α1和α5各自为8°，并且圆心角α2、α3、α4、α6、α7和α8各自为48°。
那么结果获得∑εi＝56°＜∑αi＝304°。
为了可以使物体1达到足够高的允许转速，要相应地确定物体1的几何尺寸，尤其是单个半径Ra、Rn、Ri、Ry和Rx的设计在与允许转速最佳化的关系上是重要的。
在比较狭窄的环形物体1时，本发明是尤其有利的。例如在本实施例中Ra与Ri的比约为1.34。那么允许的最大转速可以被令人吃惊地提高，当在物体1上产生凹槽4时。虽然环形物体的径向膨胀与根据现有技术的结构相比被降低。
此外在介绍的实施例中，在键槽3的底部和轴线Z之间的29.3毫米的间距小于在其它的凹槽4的底部和轴线Z之间的半径，因为Rn这里为30.1毫米。因此，键槽3不会进入通过半径Rn向内限定的、物体1的环形区域。在物体1工作时，相应地机械应力在通过半径Rn向内限定的几何环形区域中走向非常均匀，因此峰值应力的最大幅值被减小到最低限度。
键槽3沿着圆周方向通过平行侧壁，并且沿着径向方向通过键槽3的底部被限定。在键槽3的底部到侧壁之间的过渡具有一个25微米的粗糙度Rz和一个比较小的轮廓半径Ry，该轮廓半径在所示的实施例中为0.175毫米。因此在那儿比较地说由于应力集中预计会有大的峰值应力。但是为了使高的允许转速成为可能，用于过渡到确定凹槽4的底部的半径Rn上的最小的轮廓半径Rx，相比较地说要比较大，这里为5毫米。因此这里获得大约28.6Rx/Ry的比。
在图5中表示了一个根据本发明的物体1’的第二个实施例。与第一个实施例物体的重要区别在于现在仅仅设有两个沿着圆周方向比较长的凹槽4’。在介绍的实施例中两个凹槽4’各自用一个扇形体9填满，扇形体例如由塑料制成。扇形体9为轴8定中心出一份力，并且另外还可以发挥阻尼的作用。另一方面实际上没有抗剪应力通过扇形体9传递到支承的物体1’，因此这里也是很大程度的、均匀的应力变化，尤其是在物体1’的这个通过半径Ri向内限定的环形区域中。
当然关于圆心角的考虑也适合于第二个实施例，因为各自通过凸起5的起点和终点Sε1’到Sε4’、Eε1’到Eε4’确定的圆心角εi’的总和这里也小于各自通过键槽3和凹槽4的起点和终点Sα1’到Sα4’、Eα1’到Eα4’确定的圆心角αi的总和。在图示的实施例中是非常明显的，总和值(ε1’+ε2’+ε3’+ε4’)显著小于(α1’+α2’+α3’+α4’)，因此这里条件∑εi’＜∑αi’也被满足。
根据可选择的方案布置，扇形体9也可以构成金属件。在这种情况下同样要避免通过扇形体9、尤其是通过在扇形体9和物体1’之间的焊缝干扰的抗剪应力被导入物体1’。
在本发明的其它的布置中物体1’也可以仅仅具有一个键槽3，因此扇形体9现在只填满一个凹槽4’。
Claims (11)
1.带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，用于机器零件(8)围绕着轴线(Z)的旋转位置的测量，其中物体在它的内圆周上具有径向凹槽(3、4、4’)和凸起(5、6)，至少凹槽(3)中的一个适合于在机器零件(8)上形状吻合地抗扭固定，其特征在于，各自通过凸起(5、6)的起点和终点(Sεi、Eεi、Sεi’、Eεi’)确定的圆心角(εi、εi’)的总和小于各自通过凹槽(3、4、4’)的起点和终点(Sαi、Eαi、Sαi’、Eαi’)确定的圆心角(αi、αi’)的总和。
2.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，各自通过凹槽(3、4、4’)的起点和终点(Sαi、Eαi、Sαi’、Eαi’)确定的圆心角(αi、αi’)的总和大于240°，尤其是大于300°。
3.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，至少用于在机器零件(8)上形状吻合地抗扭固定的凹槽(3)具有带有最小的轮廓半径Ry的几何尺寸，并且其它的凹槽(4、4’)具有带有条件Ry＜Rx的最小的轮廓半径Rx。
4.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，用于物体(1、1’)在机器零件(8)上形状吻合地抗扭固定的凹槽(3)的底部和轴线(Z)之间的最小间距(Df)小于或者等于在其它的凹槽(4、4’)的底部和轴线(Z)之间的最小间距(Rn)。
5.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，物体(1、1’)的外半径(Ra)与它的内半径(Ri)的比小于2.25，尤其是小于1.75。
6.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，角度标度(2)布置在物体(1、1’)的外套侧面上。
7.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，角度标度(2)作为单独的环固定在环形物体(1、1’)上。
8.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，角度标度(2)由磁性区域组成。
9.根据权利要求1所述的带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)，其特征在于，用于物体(1、1’)在机器零件(8)上形状吻合地抗扭固定的凹槽(3)构成键槽。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的、在机床高速运行的轴(8)上、用于轴(8)的旋转位置测量的、带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)的应用。
11.根据权利要求10所述的、带有角度标度(2)的环形物体(1、1’)的应用，其中切削加工刀具可以装在轴(8)上。
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