CN101965519B - 角度测量系统和角度测量系统的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及角度测量系统和角度测量系统的制造方法，包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中第一构件组(1)相对第二构件组(2)可绕轴线(A)转动地支承。第一构件组(1)具有一个带有滚动面(1.14)和角刻度(1.21)的环(1.1)。第二构件组(2)具有包括另一个滚动面(2.14)的环(2.1)以及用于扫描该角刻度(1.21)的传感器(2.2)。在所述滚动面(1.14，2.14)之间设有多个滚子(3)，其中该角刻度(1.21)如此被刻上，根据滚动面(1.14，2.14)和/或该滚子(3)的径向振摆，在第一区域(U1)内的角刻度(1.21)的几何图案不同于第二区域(U2)内的角刻度(1.21)的几何图案。

Description

角度测量系统和角度测量系统的制造方法
技术领域
本发明涉及一种角度测量系统和一种相应角度测量系统的制造方法。
背景技术
这种角度测量系统用于机器部件如轴的转动运动或者说转动状态的测量。转动运动此时将以增值方式或绝对值方式求出，其发出的测量值例如是一组数字脉冲、数值或者代码字。相应的角度测量系统尤其被用在电子元器件加工的所谓“贴片机”中，或被用在机床中，用于测量转动运动。机器部件的转动角度的精确到仅几角秒的可复制性或者说可重复性例如对于贴片机来说意义重大。对机床来说，角度测量系统的测量结果的绝对精度是尤其重要的。已经公开了具有可彼此相对转动的构件的真正支承的角度测量系统。
角度测量的精度主要受角刻度好坏、其偏心率和支承的径向振摆或者说摆动误差的影响。
在公开文献DE3036005A1中公开一种制造用于角度测量系统的角刻度的方法，其中在代码盘上通过激光射线刻蚀代码迹道。代码盘在刻写时已经与轴相连接，从而代码盘在代码纹刻写时已经相对轴定心。
这些已知方法的缺点是，由此制造的角度测量系统无法达到最高精度，对许多引用场合来说不够结实耐用，并且还需要相对大的结构空间。
发明内容
本发明基于以下任务，提供一种耐用的角度测量系统及其制造方法，它的特点尤其是能以简单结构实现能很精确工作的结构紧凑的角度测量系统。
该任务将通过根据本发明的角度测量系统来完成，据此，该角度测量系统包括第一构件组、第二构件组和一个传感器，其中第一构件组可相对第二构件组绕轴线转动地支承。此外，第一构件组具有一个带有滚动面和角刻度的环。第二构件组具有带有另一滚动面的另一环和用于扫描角刻度的传感器。在第一和第二构件组的滚动面之间设有多个滚子。角刻度被如此刻上，即依据滚动面和/或滚子的径向振摆，在第一区域内的角刻度的几何图案不同于在第二区域内的角刻度的几何图案。
就是说，该角度测量系统的角刻度的几何图案尤其取决于在角度测量系统中的各自滚动面和/或滚子的单独质量或者说质量偏差。
角刻度被施刻在第一构件组的一个组成构件上，在这里，该组成构件可以按独立构件如刻度环的形式与该环抗扭地联接，或者以第一构件组的环的一体组成构件形式构成。如果角刻度直接刻在环上，则大致涉及后一种情况。
第二构件组的环有利地具有一个径向贯通的开口，通过该开口能刻上角刻度。此时可如此构成该开口，该开口的径向延伸尺寸小于第二构件组的环的轴向外尺寸的1/3，尤其是小于1/5。
此外，所述滚动面是这样的表面或者说轨道，所述滚子在该角度测量系统的工作中沿该表面或轨道滚动。该第一构件组的环的滚动面可以从轴平行角度看成凸形，而该第二构件组的环的滚动面可以为凹形。
根据角度测量系统的优选结构，第一构件组的环沿径向靠内布置，于是可称为内环，而第二构件组的环在此情况下沿径向靠外布置，可定义为外环。
角刻度有利地设置在刻度环周面上。术语“周面”是指圆柱形表面或外周面，其或是环绕360度，或是只是外周面的一部分。该角刻度于是能以具有平行于轴线的方向分量来定向。
通常，该角刻度由具有不同磁极化的区段构成。于是在此情况下，这些磁化区段按照具有平行于轴线的方向分量的方式定向，从而近似作为磁性刻度线地沿周向交替出现北极和南极。尤其是，角刻度也可以由多个迹线构成，例如当要从该角刻度直接求出一个待测轴的绝对角度位置时。
作为角刻度的轴向定向的替代或者补充，角刻度也可以具有径向方向分量地定向。在此情况下该角刻度的至少一部分被施刻到该第一构件组的相关组成构件的端面上。
在本发明的其它实施方式中，该角刻度刻在第一构件组的一个组成构件尤其是刻度环上，该组成构件由可磁化材料构成。在本发明的有利改进方案中，该刻度环可以由硬磁材料构成，该硬磁材料的矫顽磁场强度为至少1kA/m。矫顽磁场强度有利地为10kA/m至60kA/m，尤其是25kA/m至45kA/m。
作为传感器，例如可以使用MR传感器或者霍尔传感器。
当如此构成第一构件组和第二构件组以及滚子时，即第一构件组和第二构件组沿轴向和/或沿径向无间隙地相对布置，将会获得该角度测量系统的非常高的测量精度。
第一和第二构件组可以有利地分别具有两个滚动面，在两个滚动面之间分别设有滚子。该角刻度以及可借此刻上该角刻度的开口于是可以沿轴向设置在所述滚动面之间。
根据本发明的改进方案，第二构件组的环是坚实结构的并且在周向上相对开口错开地具有用于容纳具有电子线路的印刷电路板的第一缺口。
如此有利地构成该角度测量系统，其最大轴向延伸尺寸小于该角度测量系统的最大外半径的40％，尤其是小于30％。此外，该角度测量系统具有一个相对大的用于容纳待测轴的开口是有利的，其中该开口的半径有利地等于该角度测量系统的最大外半径的至少50％，尤其是至少60％。该开口将例如通过内环的内直径来限定，而外环的外半径是该角度测量系统的外半径。
此外，该任务将通过根据本发明的方法来完成。此时，在一个方法步骤中，首先制造两个构件组的环，在此在每个环上产生至少一个精加工的滚动面。随后，如此完成该角度测量系统的组装，第一环的滚动面位于第二环的滚动面的对面并且多个滚子如此安置在两个滚动面之间，即第一构件组和第二构件组彼此轴向无间隙地安置。随后，这些环被固定在刻度机的可相对相互转动的构件如定子座和轴上。在另一个方法步骤中，完成将角刻度施刻到第一构件组的一个组成构件，其中在此步骤中，使这些环在刻度机中绕轴线相对转动。
在第二构件组的环中，有利地加工出一个尤其是径向定向的开口。然后利用该开口来完成将角刻度施刻到第一构件组的相关组成构件上的工作。
可如此提供该角刻度，可通过该角刻度仅能读取增量的角位置信息，或者作为其补充或替代，还有绝对角度位置。
在本发明的其它实施方式中，为了施刻一个由具有不同磁极化的区段构成的角刻度，在该开口中插入一个磁写入头并且施刻该角刻度。第一构件组的其上将刻上角刻度的组成构件有利地由硬磁材料构成。
在第一构件组的组成构件尤其是刻度环上，随后将刻上该角刻度，这样的组成构件在组装时，就是说在刻上角刻度之前，可以安装在第一构件组的环上。尤其是，该组成构件可以安装在外周面上。
所述滚动面有利地借助磨削-珩磨工艺或者研磨工艺来加工。
按照有利的方式，第一构件组、第二构件组和滚子在组装时将在环之间产生轴向和/或径向的预紧力。
根据本发明的另一个方面，该角度测量系统包括第一构件组和第二构件组，其中第一构件组可相对第二构件组绕轴线转动地支承。而且，第一构件组具有一个带有滚动面和角刻度的环。第二构件组具有用于扫描角刻度的传感器以及一个包括用于计算分析由扫描产生的传感器信号的电子线路的印刷电路板。第二构件组还包括其上设有另一个滚动面的坚实环，它具有容纳印刷电路板的第一缺口。此外，第二构件组具有用于容纳电线的第二缺口。电线与传感器分隔开地布置并且导电连接该传感器和该电子线路。
在本发明的其它实施方式中，第二构件组的环的第一缺口在平行于轴线的方向上的延伸尺寸大于第一缺口在周向上的延伸尺寸。尤其是，第一缺口在平行于轴线的方向上的最大延伸尺寸大于第一缺口在周向上的最大延伸尺寸。
第二构件组的环具有轴向外尺寸，该轴向外尺寸有利地等于第二构件组的环的第一缺口在平行于轴线的方向上的延伸尺寸的1.5倍。尤其是，相关环的轴向外尺寸可以是第二构件组的环的第一缺口在平行于轴线的方向上的延伸尺寸的至少1.75倍或至少2倍。
第二构件组的环有利地具有用于容纳传感器的第三缺口。传感器可以有利地在第一构件组、第二构件组和滚子的组装之前(尤其是只在组装之前)安装在第二构件组上。尤其是，电线也可以已经在第一构件组、第二构件组和滚子组装之前安装在第二构件组上。
尤其是就该角度测量系统的不易出故障的结构来说，第二构件组的环有利地为金属环形式，尤其是钢环形式。
在本发明的改进方案中，第一缺口的延伸尺寸大于第二缺口的延伸尺寸，总是就平行于轴线的方向而言。这尤其是适用于第二缺口的各最大延伸尺寸。
电线可以具有带有不同外尺寸的横截面，例如矩形横截面，其当然有两个不同的边长作为各自外尺寸。此时，较大的尺寸布置在平行于轴线的方向上。同样的考虑例如也适用到具有椭圆形横截面的导线上。
第一缺口可以如此构成，印刷电路板可以沿径向尤其是朝向轴线地被插入第一缺口。尤其是，第一缺口于是在第二构件组的环的外周面上具有一个开口。此外，可以如此构成第三缺口，传感器可以在远离轴线的方向上径向朝外地被插入第三缺口。相应地，第三缺口于是可以在第二构件组的环的内周面上具有一个开口。
由本发明的其它措施中得到本发明角度测量系统和本发明方法的有利实施方式。
附图说明
根据本发明的角度测量系统以及方法的其它优点和细节从结合附图对实施例的以下说明中得到，其中：
图1表示角度测量系统的局部剖视图，
图2是包括角刻度的角度测量系统的环的局部俯视图，
图3是角度测量系统的截面图，
图4a是角度测量系统的局部俯视图，
图4b是角度测量系统的局部区域的侧视图。
具体实施方式
根据图1，本发明的角度测量系统包括第一构件组1和第二构件组2，其中在本实施例中，第一构件组1作为转子，第二构件组2作为定子。第一构件组1包括一个环，在这个实施例中，该环被称为内环1.1。相应地，对应于第二构件组2的另一个环在此被称为外环2.1。
在制造角度测量系统的新方法中，首先，制造内环1.1和外环2.1。此时，一开始比较粗糙地切削加工出轮廓。外环2.1的轴向外尺寸Z(见图4b)在本实施例中等于70mm。此外，在外环2.1中加工出一个径向定向的开口2.15，它在这里成圆柱孔形式。开口2.15的轴向延伸尺寸z或者说该孔的直径在此等于10mm，因此，就是说出现比例z/Z＝1/7。而且，在这个加工阶段，在外环2.1中加工出一个空腔，该空腔包括三个腔或者说三个缺口2.11、2.12、2.13。此时，径向最外侧的缺口2.11具有最大体积。更靠内的缺口2.12连接两个相邻的缺口2.11和2.13。
在另一个步骤中，分别在内环1.1和外环2.1上通过研磨工艺产生精加工的滚动面1.14和2.14。
随后，在进一步安装过程中，首先，将一个传感器2.2例如MR传感器连同电线2.4如软电线安装在外环2.1中。电线2.4具有矩形横截面，因此具有不同的外尺寸B和d。此时，厚度d与宽度B相比比较小。在安装时，电线2.4从外环2.1的内侧被插入第三缺口2.13，在此，电线2.4的较大外尺寸B布置在平行于轴线A的方向上。随后，传感器2.2和电线2.4被径向外移，直到传感器2.2安置在第三缺口2.13中，并且电线2.4穿过第二缺口2.12，伸入第一缺口2.11。就是说，相应地如此构成第三缺口2.13，传感器2.2可以在离开轴线A的方向上被插入缺口2.11。
紧接着，电线2.4的端部被径向向外抽拉，从而露在外环2.1之外。在此状态下，电线2.4的端部随后与印刷电路板2.3上的电气接头2.32相连。在印刷电路板2.3上有多个电子元件，尤其是配备有用于计算分析传感器2.2信号的电子线路2.31的电子元件。
第一缺口2.11径向朝外敞开，就是说其如此构成，印刷电路板2.3在朝向轴线A的方向上被插入缺口2.11。也就是说，印刷电路板2.3被相应插入第一缺口2.11并随后被固定在第一缺口2.11中。此时，如此设定印刷电路板2.3的方位，它的取向平行于轴线A，即印刷电路板2.3的平面平行于轴线A。
此外，在内环1.1的外周面上安装有一个刻度环1.2。刻度环1.2由硬磁材料构成，在此是矫顽磁场强度约为38kA/m的铁钴铬合金。刻度环1.2在此阶段没有角刻度2.11或者刻度图案。
随后，内环1.1现在同刻度环1.2和外环2.1以及滚子3如此组装，滚子3安置在两个滚动面1.14和2.14之间。由于内环1.1、滚子3和外环2.1的几何形状尺寸，所以将在内环1.1和外环2.1之间产生径向和轴向的预紧力。因此产生这样的配置结构，第一构件组1可相对第二构件组2围绕轴线A转动，其中构件组1和2通过轴向和径向的预紧力以沿轴向和径向相互无间隙的方式布置。
由于带有电子线路2.31的印刷电路板2.3在第一缺口2.11中被坚实的外环2.1包围，所以得到免受电磁干扰的最佳保护。这种情况也适用于在第二缺口2.12中的电线2.4和在第三缺口2.13中的传感器2.2。与之相关地注意，通过精确制造外环2.1、滚子3和内环1.1，在外环2.1和内环1.1之间将会获得最小间隙，这对不易出现电磁干扰起到积极作用。为了进一步增强不易出现电磁干扰的能力，第一缺口2.11可以在外侧用一个盖尤其是金属盖被封住。此外，第一缺口2.11和或许以及第二和第三缺口2.12、2.13中可填有适当的填料。电缆的输出例如可以通过穿过盖中的孔来实现，以实现在角度测量系统和伺服电子装置之间的导电连接。
至此安装好的单元从现在起被固定在刻度机上。该刻度机用于将角刻度1.21(图2)施刻到刻度环1.2上。该刻度机包括一个轴和一个定子座，磁写入头固定在定子座上。定子座和轴在利用空气轴承的情况下可相对转动。此外，一个非常精确的角度测量机构属于此刻度机，此角度测量机构的作用是精确确定该轴相对该定子座的角度位置。
在角刻度1.21施刻前，首先，内环1.1被抗扭地固定在该刻度机的轴上。外环2.1同样被固定在定子座上。在此安装状态下，随后，该轴的转动造成内环1.1转动，进而也造成刻度环1.2转动。
随后，将磁写入头插入开口2.15。接着，由多个(看不见)磁刻度线构成的角刻度1.21被直接施刻到刻度环1.2的周面。此时，分步通过给写入头通电而在周面上产生基本平行于轴线A的刻度线，作为角刻度1.21，其中北极和南极沿周面交替出现。每个刻度线此时沿径向被极化。在这个提出的实施例中，沿周向的刻度线中心间距为200微米。在此情况下，在每次在刻度环1.2周面上产生刻度线后，使轴做最小的继续转动，从而可以施刻下一个刻度线。就是说，在各磁化步骤之间，刻度环1.2在刻度机的角度测量机构的控制下绕轴线A继续转动。尽管非常精确地制造内环1.1、外环2.1和滚子3，但该配置结构必然还是与其理想形状有偏差。相应地，径向振摆导致角刻度1.21在周向上有形状不同的图案，因为角刻度1.21是在加装情况下被施刻在刻度环1.2上的，该加装情况对应于确定的支承并且该配置结构还在径向和轴向上被预紧。因此，因为上述径向振摆如偏心率或摆动误差，在区域U1内的角刻度1.21的几何图案不同于在区域U2中的图案，确切说，取决于在各周向点上局部存在的径向振摆。结果，不同的图案可能以不同的刻度线间距或者以刻度线相对轴线A的不同倾斜为特点。由于精度高，所以不同区域的图案的差异较小。尽管如此，其也有助于角度测量系统的测量精度提高。
在角刻度1.21施刻以后，至此预装好的、包括第一和第二构件组1、2的单元从刻度机上被拆下来。
由于角度测量系统具有非常高的机械刚性，所以，测量结果一方面因外环2.1和内环1.1之间间隙最小而得以改善，另一方面，也可由此在传感器2.2和刻度环1.2之间实现小而总是稳定不变的扫描间距，从而可获得更高的信号质量。只有通过该措施，才能以高分辨率读取磁性角刻度1.21，该磁性角刻度具有小于300微米、尤其是小于250微米或小于200微米的刻度线中心周向间距。
缺口2.11、2.12和2.13和开口2.15的特殊构造对获得角度测量系统的高机械刚性有着主要贡献，如图4a和图4b所示。首先，如此确定开口2.15的尺寸，其延伸尺寸z相对外环2.1的轴向延伸尺寸Z比较小。此外，如此构成第一和第二缺口2.11、2.12，其各自的周向延伸尺寸U和u小于其轴向延伸尺寸H和h，即U＜H，u＜h。尤其是，外环的第一缺口2.11在平行于轴线A的方向上具有其最大延伸尺寸H。而且，如此设定外环2.1的尺寸，第一缺口2.11的延伸尺寸H大于第二缺口2.12的延伸尺寸h(H＞h)，总是就平行于轴线A的方向而言。此外，第一缺口2.11的延伸尺寸U大于第二缺口2.12的延伸尺寸u(U＞u)，总是就周向而言。
该角度测量系统是一个独立单元，它可以由使用者简单安装在一个待测轴上，但是提供非常精确的角度位置。基于角度测量系统的非常精确的实施方案，可以省掉平衡联轴器。
在角度测量系统工作中，传感器2.2根据在传感器2.2对面的角刻度1.21的极提供与位置相关的电流或者电压。该电流或者电压在电子线路2.31中被处理并且最终被数字化。数字信号随后可以从角度测量系统传输至伺服电子装置，其中通过数字化实现尽量不出故障的数据传输。
此外，通过所述一体结构，该角度测量系统的外尺寸非常紧凑并且尤其是具有非常小的最大轴向延伸尺寸Z。在所示实施例中，最大轴向延伸尺寸Z仅为最大外半径的约25％。此外，通过所提出的结构将提供一种一流的角度测量系统，其适用于待测轴的较大直径。因此，本文所提出的角度测量系统具有相应的开口，该开口的内半径是最大外半径的约66％。

Claims (18)

1.一种角度测量系统，包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中第一构件组(1)相对第二构件组(2)可绕轴线(A)转动地支承，并且
-第一构件组(1)具有一个带有第一滚动面(1.14)和角刻度(1.21)的第一环(1.1)，
-第二构件组(2)具有包括第二滚动面(2.14)的第二环(2.1)以及用于扫描该角刻度(1.21)的传感器(2.2)，
-在所述第一滚动面(1.14)和第二滚动面(2.14)之间设有多个滚子(3)，其中该角刻度(1.21)如此被刻上，根据该第一滚动面(1.14)和第二滚动面(2.14)和/或该滚子(3)的径向振摆，在第一区域(U1)内的该角刻度(1.21)的几何图案不同于在第二区域(U2)内的角刻度(1.21)的几何图案。
2.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征是，第二构件组(2)的第二环(2.1)具有一个径向贯通的开口(2.15)，该角刻度(1.21)能通过该开口被刻上。
3.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征是，该角刻度(1.21)以具有平行于轴线(A)的方向分量的方式取向。
4.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征是，如此构成第一构件组(1)和第二构件组(2)以及该滚子(3)，第一构件组(1)和第二构件组(2)彼此轴向无间隙地布置。
5.根据权利要求2所述的角度测量系统，其特征是，第一构件组(1)有两个第一滚动面(1.14)，并且第二构件组(2)有两个第二滚动面(2.14)，在所述第一滚动面和第二滚动面之间分别设有多个滚子(3)，其中该角刻度(1.21)以及该开口(2.15)沿轴向安置在所述第一滚动面(1.14)和第二滚动面(2.14)之间。
6.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征是，该角刻度(1.21)的几何图案由具有不同磁极化的多个区段构成。
7.根据权利要求6所述的角度测量系统，其特征是，该传感器(2.2)以MR传感器或霍尔传感器形式构成。
8.根据权利要求6所述的角度测量系统，其特征是，该角刻度(1.21)刻在第一构件组的一个由硬磁材料构成的组成构件(1.2)上。
9.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征是，第二构件组(2)的第二环(2.1)具有用于容纳电线(2.4)的第二缺口(2.12)，其中该电线(2.4)导电连接该传感器(2.2)和与该传感器(2.2)间隔设置的电子线路(2.31)。
10.一种角度测量系统的制造方法，该角度测量系统包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中第一构件组(1)可相对第二构件组(2)围绕轴线(A)转动地支承，并且第一构件组(1)具有一个第一环(1.1)，第二构件组(2)具有一个第二环(2.1)和一个传感器(2.2)，该方法包括以下步骤：
-制造所述第一环(1.1)和第二环(2.1)，在每个环上产生至少一个精加工的滚动面(1.14，2.14)，
-如此组装该角度测量系统，第一环(1.1)的第一滚动面(1.14)位于第二环(2.1)的第二滚动面(2.14)的对面并且多个滚子(3)安置在第一滚动面(1.14)和第二滚动面(2.14)之间，从而第一构件组(1)和第二构件组(2)彼此轴向无间隙地安置，
-将所述第一环(1.1)和第二环(2.1)固定在刻度机的可彼此相对转动的构件上，
-施刻角刻度(1.21)至第一构件组(1)的一个组成构件(1.1，1.2)，其中在此步骤中，使所述第一环(1.1)和第二环(2.1)在该刻度机中绕轴线(A)彼此相对转动。
11.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，在制造第二构件组(2)的第二环(2.1)时，加工出一个开口(2.15)，该角刻度(1.21)在利用该开口(2.15)的情况下被施刻到第一构件组(1)的组成构件(1.1，1.2)上。
12.根据权利要求11所述的角度测量系统制造方法，其特征是，在该开口(2.15)中插入一个磁写入头，随后，由具有不同磁极化的多个区段构成的该角刻度(1.21)被施刻。
13.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，第一构件组(1)的其上施刻上角刻度的组成构件(1.1，1.2)由硬磁材料构成。
14.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，第一构件组(1)的其上施刻上角刻度的组成构件(1.1，1.2)在组装时在角刻度(1.21)的施刻之前被安装在第一构件组(1)的第一环(1.1)上。
15.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，在第一构件组(1)、第二构件组(2)和滚子(3)组装时，在所述第一环(1.1)和第二环(2.1)之间产生径向和/或轴向的预紧。
16.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，在第一构件组(1)、第二构件组(2)和滚子(3)组装之前，将一个传感器(2.2)安装在第二构件组(2)上。
17.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，该角刻度(1.21)以具有平行于轴线(A)的方向分量的方式来施刻。
18.根据权利要求10所述的角度测量系统制造方法，其特征是，所述第一滚动面(1.14)和第二滚动面(2.14)借助磨削-珩磨工艺或研磨工艺来加工。
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