CN109099879A - 用于测量仪的带有滚珠轴承导向单元的测量系统 - Google Patents

用于测量仪的带有滚珠轴承导向单元的测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于测量仪(10)的测量系统(15)。测量臂接纳单元(18)安装于壳体(49)或连接到壳体以实现联合旋转的轴向销(30)上，以便于可围绕旋转轴线(D)旋转或枢转。测量臂(16)可布置于测量臂接纳单元(18)上。使用具有电动马达(25)的马达单元(24)来在测量臂接纳单元上生成围绕旋转轴线(D)的马达转矩。马达单元具有与旋转轴线(D)同轴地布置的转子(27)。测量臂单元借助于滚珠轴承导向单元(39)来安装，以便于可沿周向围绕旋转轴线(D)旋转，并且，可沿轴向(A)沿着旋转轴线(D)移位。测量臂单元的沿轴向的轴向位置借助于磁性轴向轴承装置(46)来限定，并且，在操作期间得到维持。

Description

用于测量仪的带有滚珠轴承导向单元的测量系统
技术领域
本发明涉及用于测量仪的测量系统。测量系统可包括测量臂，测量臂围绕旋转轴线可枢转地安装，并且，具有沿相反方向从旋转轴线突出的两个臂，这些臂因此形成摇杆。测量元件或探头元件(例如，探头尖端、探头滑道或探头球状部)布置于摇杆的前臂上，而为另一后端分配传感器和力生成装置。可借助于传感器来检测后臂的偏转，且在此基础上，可确定测量值。使用力生成装置来以限定的力将探头元件压在待测量的物体或工件的表面上。例如，从DE 40 13 742 A1、DE 31 52 731 A1、DE 196 17 022 C1、DE 10 2007 019 833A1或DE 10 2015 004 525 A1得知这种探头系统。例如，当测量物体的表面的粗糙度时，可使用这种探头系统。
背景技术
在这种探头系统中，可调整使探头元件靠置于物体的表面上的测量力。例如，从DE40 13 742 A1或DE 10 2009 020 294 A1得知测量力调整。
在使用这种测量或探头系统的情况下，例如，在坐标测量仪中，可借助于适当的装置来将测量系统作为整体而定位或取向于空间中。例如，在DE 10 2009 019 129 A1或DE10 2014 110 801 A1中，描述对应的装置。
从现有技术出发，本发明的目标可看做是创建一种测量系统的方案，所述测量系统导致有可能以测量臂的大的旋转角度范围进行精密测量。
发明内容
该目标由具有权利要求1的特征的测量系统实现。
根据本发明的测量系统可体现为用于基于接触的测量的触觉型探头系统，或可体现为非接触式测量系统。可使用测量系统来例如测量物体的表面粗糙度、几何结构或尺寸偏差。对测量臂的旋转或枢转移动进行检测，以进行测量。继而由布置于物体上的测量或探头元件导致旋转或枢转移动，所述元件与物体的表面接触，或沿着物体的表面无接触地以限定或已知的距离移动。
测量系统包括固定组件，固定组件包括沿着旋转轴线延伸的不可旋转的轴向销。固定组件的另外的部件可相对于轴向销(例如，电动马达的壳体或定子)而不可旋转地且/或不可轴向移动地紧固。
测量臂接纳单元借助于滚珠轴承导向套筒来安装于轴向销上。轴向销和滚珠轴承导向套筒可作为滚珠轴承导向单元的一部分。滚珠轴承导向套筒允许测量臂接纳单元围绕轴向销旋转，且允许测量臂接纳单元沿着轴向销沿轴向移动。为了防止或至少限制测量臂接纳单元沿着轴向销移动，设有磁性轴向轴承装置。磁性轴向轴承装置被配置为限定测量臂接纳单元的沿着轴向销的轴向位置。借助于滚珠轴承导向套筒或滚珠轴承导向单元来实现测量臂接纳单元的非常低摩擦的旋转轴承。磁性轴向轴承装置可排除测量臂接纳单元的沿轴向的不理想的移动，或至少使其最小化。磁性轴向轴承装置以无摩擦的方式工作，并且，可通过沿轴向起作用的磁力限定测量臂接纳单元的沿着轴向销的轴向位置。因此，测量系统可通过非常精密的方式进行测量。同时，测量臂接纳单元的旋转轴承借助于滚珠轴承导向套筒或滚珠轴承导向单元来允许大的旋转角度测量范围。
磁性轴向轴承装置另外被配置为限定滚珠轴承导向套筒的沿着轴向销沿轴向的轴向位置，是优选的。因此，还可防止或至少限制滚珠轴承导向套筒的沿轴向的不理想的移动。
磁性轴向轴承装置可包括在测量臂接纳单元的一轴向侧的第一轴向磁性轴承和在测量臂接纳单元的另一轴向侧的第二轴向磁性轴承。两个轴向磁性轴承可生成反向的磁力，且可以说，在两个轴向磁性轴承之间，夹持测量臂接纳单元。两个轴向磁性轴承还可布置于连接到测量臂接纳单元以实现联合旋转且围绕轴向销可旋转地安装的任何其它构件的不同的轴向侧。
在一个示例性的实施例中，第一轴向磁性轴承被配置为生成在测量臂接纳单元与固定组件之间沿轴向起作用的第一磁力。第一磁力可例如在固定组件的壳体与测量臂接纳单元之间起作用，并且，可将测量臂接纳单元从壳体沿轴向推开。
第二轴向磁性轴承可被配置为生成在测量臂接纳单元与固定组件之间沿轴向起作用的第二磁力。例如，第二磁力可在固定组件的定子与测量臂接纳单元之间起作用，并且，可将测量臂接纳单元从定子沿轴向推开。第一磁力与第二磁力相反地起作用且具体地两个磁力指向彼此，是优选的。例如，测量臂接纳单元可布置于固定组件的定子与固定组件的壳体之间，并且，可被两个磁力沿轴向偏置。
另外，第一轴向磁性轴承和/或第二轴向磁性轴承两者/之一被配置为生成在滚珠轴承导向套筒与固定组件之间沿轴向起作用的第三磁力，是有利的。另外，第一轴向磁性轴承和/或第二轴向磁性轴承可被配置为生成在一方面的滚珠轴承导向套筒与另一方面的测量臂接纳单元和/或固定组件之间沿轴向起作用的第四磁力。
在此，第三磁力与第四磁力相反地起作用，且具体地，第三磁力和第四磁力指向彼此，是优选的。因此，可借助于多个轴向磁性轴承中的至少一个轴向磁性轴承来将滚珠轴承导向套筒沿轴向磁偏置且定位。
轴向磁性轴承优选地被配置为生成专门地沿轴向起作用的磁力。具体地，不应当生成相对于旋转轴线沿径向起作用的合成磁力。磁力的任何径向分量优选地彼此抵消，以致于仅仅合成轴向磁力是有效的。
为了生成相关的磁力(具体地，第一磁力和/或第二磁力和/或第三磁力和/或第四磁力)，在每种情况下，第一轴向磁性轴承和/或第二轴向磁性轴承包括至少两个环状磁体。所有的环状磁体优选地是永磁式。环状磁体优选地与旋转轴线同轴地布置。生成第一磁力的环状磁体优选地具有与生成第二磁力的环状磁体相同的径向尺寸。同样地，生成第三磁力的环状磁体具有与生成第四磁力的环状磁体相同的径向尺寸，是有利的。因此，可避免围绕相对于旋转轴线以直角延伸的轴线的倾斜力矩。在一个示例性的实施例中，所有的环状磁体可具有相同的径向尺寸，或可完全相同地形成。
环状磁体例如各自具有磁北极和磁南极，其中，每个磁极围绕旋转轴线D环形地延伸。环状磁体的两个磁极沿轴向相邻地布置。通过将两个环状磁体的同样的磁极沿轴向紧邻地布置，从而可生成沿轴向起作用的磁力，所述磁力将两个环状磁体彼此推开。
环状磁体还被理解为意指一种磁体，其具有沿周向分布且各自具有北极和南极的单个的磁性元件。例如，沿轴向相邻地布置的各自具有北极和南极的多个磁体元件可优选地沿周向围绕方向轴线有规律地分布，并且，以这种方式，可形成环状磁体。
另外，滚珠轴承导向套筒包括多个滚珠座，各个滚珠座用于一个滚珠，是优选的。每个滚珠可在对应的滚珠座中围绕滚珠中心点优选地向各个方向旋转。滚珠座或滚珠优选地围绕旋转轴线沿着至少一个螺旋形路径或螺旋线布置。由于存在该螺旋形路径，因而如果围绕旋转轴线D沿周向旋转，则滚珠轴承导向套筒倾向于根据螺旋形路径的间距或超前角而向两个轴向侧中的一个轴向侧移动。该轴向移动倾向被轴向轴承装置排除或至少限制。因此，有可能减少或避免滚珠轴承导向套筒的沿轴向的反复的微移动，所述移动不能被磁性轴向轴承装置单独地完全排除。
另外，借助于滚珠或滚珠座的螺旋形路径，有可能防止多个滚珠相对于旋转轴线在相同的径向平面上在轴向平面上滚动。因此，可减少磨损。
为了对测量臂接纳单元的旋转角度位置或布置于测量臂接纳单元中的测量臂的围绕旋转轴线的旋转角度值进行检测，优选地设有测量装置，测量装置包括标度部件和与标度部件协作的检测单元。标度部件和检测单元优选地非接触式地协作。标度部件和检测单元连接到测量臂接纳单元，以实现联合旋转，其中，可间接地或直接地建立该连接。测量装置的另一部件相应地布置于固定组件上。标度部件优选地可安装成与测量臂接纳单元联合地围绕旋转轴线旋转，而检测单元不可旋转地布置于固定组件上。
在优选的实施例中，检测单元可包括发射器和接收器。发射器发射电磁辐射或电磁波，电磁辐射或电磁波被布置于束路径中的标度部件取决于标度部件的围绕旋转轴线的旋转移动或旋转位置而改变，且随后被接收器接收。例如，发射器可体现为光发射器，且接收器可体现为光接收器，并且，标度部件可布置于光路径中。代替光，发射器还可生成磁场，例如，由标度部件使该磁场变化，并且，可由接收器(电感耦合)检测变化后的磁场。
检测单元具体地还被配置为识别旋转方向或感测围绕旋转轴线的旋转。例如，对于旋转方向识别，可在标度部件上设有多个标度范围，这些标度范围具有围绕旋转轴线相对于彼此移位的标度元件，且/或可设有布置成围绕旋转轴线彼此偏移的接收器，这些接收器还可各自与单独或共同的发射器相关联。
在此，发射器和接收器可布置于标度部件的相同侧或相对侧。优选将发射器和接收器布置于标度部件的相同的轴向侧。在这种情况下，标度部件可包括围绕旋转轴线沿周向交替地布置的交替的辐射反射和非辐射反射区域或标度元件。
同样地，有利的是，马达单元包括定子，定子是固定组件的部件，且因此可紧固至轴向销或壳体，以实现联合旋转。定子可优选地同轴地环绕转子。另外，有利的是，马达单元包括永久地被激励的电动马达，所述电动马达的磁体布置于定子上。因此，可减小转子的质量及其惯性矩。
多个转子绕组优选地设置于转子上，并且，电连接到至少一个电气绕组终端。至少一个电气绕组终端可布置成与转子联合地围绕旋转轴线旋转。在一个示例性的实施例中，设有多个绕组终端，其中，可针对每个所设置的转子绕组，设置单独的绕组终端，并且，可针对所有的转子绕组，设置另外的共同的绕组终端。因此，例如，可针对三个绕组，设置四个绕组终端。绕组终端的数量可取决于转子绕组的电连接和转子绕组的数量而变化。
另外，在一个示例性的实施例中，至少一个电气测量臂终端可设置于测量臂接纳单元上。可借助于测量臂终端来产生与保持于测量臂接纳单元上的测量臂的电连接。优选地设有至少两个测量臂终端。例如，因此，有可能读取布置于测量臂中或布置于测量臂上的数据载体(具体地，芯片)，且自动地识别测量臂类型。例如，可设置又一测量臂终端，以便检测测量臂是否布置于测量臂接纳单元上。
另外，优选的是，包括至少一个电气终端的终端装置设置于固定组件(例如，壳体或定子)上。另外，可设有电连接装置，电连接装置将电气终端装置电连接到至少一个绕组终端和/或至少一个测量臂终端。连接装置具体地被配置为建立或提供该电连接，使得可旋转地安装于轴向销上的构件(具体地，测量臂接纳单元和/或转子)的相对于固定组件的相对旋转有可能在期望的旋转角度范围(优选地大约高达360°)内或在大于360°的旋转角度范围内进行。原则上，有可能形成测量系统，使得可使测量臂接纳单元相对于壳体围绕旋转轴线以360°旋转一次或更多次。
在一个示例性的实施例中，如例如在电动马达或其它旋转电连接的情况下已知的，连接装置可经由电刷接触件来提供电连接。还可使用非接触式电感耦合。代替电刷，还可设有导电滚动元件(例如，滚珠)，并且，可建立与在旋转角度范围内沿周向延伸的滚动元件轨道的电连接，由此，有可能实现相对旋转。
在优选的示例性的实施例中，电连接装置包括至少一个螺旋导体，所述螺旋导体的螺旋线基本上在径向平面上相对于旋转轴线沿径向延伸。螺旋导体的径向外端可电连接到固定组件上的终端装置，并且，另一径向内端可电连接到相关联的绕组终端或测量终端。如果转子或测量臂接纳单元相对于固定单元围绕旋转轴线旋转，则取决于相对旋转的方向的感测，可使螺旋导体分别沿径向向内或沿径向向外呈螺旋形地卷绕或松开。借助于这种螺旋导体来建立无研磨或滚动接触的电连接。
测量系统可另外包括重量补偿装置。重量补偿装置被配置为生成围绕旋转轴线的补偿转矩，所述补偿转矩在固定组件与测量臂接纳单元之间有效。被接纳于测量臂接纳单元中的测量臂由于其重力而生成围绕旋转轴线的转矩。由测量臂的重力引起的该转矩可至少部分地通过重量补偿装置的补偿转矩而平衡或补偿。围绕旋转轴线的由探头臂生成的转矩还取决于所述臂的相对于水平或竖直的取向。可借助于重量补偿装置来调整补偿转矩，使得在测量臂的期望的旋转角度范围内，在最大的可能的程度上减轻对马达单元的载荷。调整后的补偿转矩的目标可为，在期望的旋转角度范围内，将待由马达单元施加的转矩保持得尽可能低，以便于实现测量臂的必要的测量力或旋转位置。
在优选的示例性的实施例中，重量补偿装置可包括至少一个螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的径向内端连接到测量臂接纳单元，以实现联合旋转，并且，所述螺旋弹簧的径向外端连接到固定组件(例如，壳体)。可借助于至少一个螺旋弹簧来施加补偿转矩。在此，可为有利的是，至少一个螺旋弹簧同时形成电气螺旋线。为此，螺旋弹簧可由导电材料生产，或至少可包含导电材料。这种情况下的螺旋弹簧具有双重功能：一方面，可生成补偿转矩，而另一方面，可提供固定组件与可相对于固定组件旋转的组成部分(诸如，转子和/或测量臂接纳单元)之间的导电连接。
有利的是，重量补偿装置包括设置装置，可借助于设置装置来设置补偿转矩的值。例如，至少一个螺旋弹簧的径向外端所紧固至的一个部件可相对于至少一个螺旋弹簧的径向内端所紧固至的另一部件围绕旋转轴线旋转，并且，可固定于期望的旋转位置处。
附图说明
根据从属权利要求、描述和附图，测量系统的有利的实施例将显而易见。将参考附图，在下文中详细地阐释测量系统的优选的实施例，其中：
图1显示包括根据本发明的测量系统的测量仪的示意透视图，其中，测量臂位于大致水平的位置处，
图2显示包括来自图1的测量系统的测量仪，其中，测量臂位于大致竖直的位置处，
图3显示根据本发明的测量系统的示例性的实施例的示意透视描绘，所述测量系统包括可附接至测量系统的测量臂，
图4显示根据本发明的测量系统的示例性的实施例的示意性的如框图那样的局部截面描绘，
图5显示示意性地图示固定组件上的电气终端装置与可相对于固定组件旋转的测量系统的构件上的电气终端之间的电连接的电路图，
图6显示根据本发明的测量系统的示例性的实施例的沿着旋转轴线的透视截面图示，
图7显示来自图6的测量系统的部件(具体地，测量系统的固定组件)的透视截面图示，
图8显示来自图6的测量系统的部件的测量系统的透视截面图示，其不具有来自图7的固定组件，
图9以另一透视截面图示显示来自图8的测量系统的部件，
图10以透视图示显示具有根据图6至图9的测量系统的紧固环的螺旋弹簧的透视图，
图11显示根据图6至图9的测量系统的辊导向件的透视图示，
图12显示螺旋导体或螺旋弹簧的径向内端之间的电气接触的基本图，
图13显示螺旋导体或螺旋弹簧在其径向内端处的电气接触的透视局部截面描绘，并且，
图14显示根据图6至图11的测量系统的固定组件的壳体的透视图示。
参考符号列表：
10 测量仪
11 表面
12 物体
14 进给轴
15 测量系统
16 测量臂
17 测量元件
18 测量臂接纳单元
19 接纳主体
20 旋转部件
24 马达单元
25 电动马达
26 定子
27 转子
28 永久磁体
29 定子的外端
30 轴向销
31 定子的壁部分
32 转子绕组
33 层压芯
38 支承架套筒
39 滚珠轴承导向单元
40 滚珠轴承导向套筒
41 滚珠
42 环状凸缘
46 磁性轴向轴承装置
47 第一轴向磁性轴承
48 第二轴向磁性轴承
49 壳体
50 壳体的外端
51 壳体的壁部分
55 第一环状磁体
56 支撑环
57 第二环状磁体
58 第三环状磁体
59 轴向延伸部
60 第四环状磁体
61 第五环状磁体
67 测量装置
68 标度部件
69 检测单元
70 发射器
71 接收器
72 标度区域
76 电气绕组终端
77 星点
78 电气测量臂终端
79 接触元件
80 电气终端装置
81 电气终端
82 终端夹
83 板
84 电连接装置
85 螺旋导体
86 螺旋导体的外端
87 径向最内匝
88 紧固环
88a 紧固环的侧壁
88b 紧固环的环形基部
89 非圆区域
90 套筒状支承架
91 绝缘环
92 套筒状支承架的凸缘
93 固定环
97 螺旋弹簧
98 重量补偿装置
99 设置装置
103 接触销
104 导体
105 带状电缆
106 印制电路板
α 超前角
A 轴向
D 旋转轴线
F1 第一磁力
F2 第二磁力
F3 第三磁力
F4 第四磁力
Mx 水平测量方向
Mz 竖直测量方向
MK 补偿转矩
S 螺旋形路径
U 周向。
具体实施方式
图1和图 2显示测量仪10，例如可使用测量仪10来测量关于工件或物体12的表面11的表面粗糙度。还可使用这种测量仪10来测量物体12的几何结构或尺寸偏差。
测量仪10包括进给轴14和测量系统15，测量系统15包括测量臂16。测量臂16具有自由端，在自由端处，测量臂16以触觉型或基于接触的方式支承测量元件17(例如，用于测量物体12的探头元件)。在与测量元件17相对的端部处，测量臂16被接纳或保持于测量系统15的测量臂接纳单元18中。测量臂接纳单元18可围绕旋转轴线D旋转地安装。因此，被保持于测量臂接纳单元18中的测量臂16可围绕旋转轴线D枢转。
在沿测量方向(例如，沿水平测量方向Mx或竖直测量方向Mz)测量的期间，可借助于进给轴14，使测量系统15移动，测量系统15具有布置于测量系统15上的测量臂16。如果测量元件17与物体12接触，并且，沿着物体12的表面11沿测量方向移动，则取决于表面11的形状、几何结构或粗糙度，经由测量元件17来使测量臂16偏转。测量系统15可检测测量臂16或测量臂接纳单元18的枢转位置。另外，测量方向Mx、Mz上的测量元件17的位置可经由进给轴14的位置来确定。可使用描述枢转位置和测量元件17的相关联的位置以及测量方向的测量值对来确定表面11的粗糙度或物体12的形状或几何结构。
在图1和图2中仅仅示意性地描绘的测量仪10的示例性的实施例中，进给轴14可枢转。进给轴14形成为高准确度的线性轴。因此，进给轴14可沿期望的测量方向Mx、Mz取向，其中，还可设置相对于水平和/或竖直以任意角度倾斜的测量方向。在测量的期间，因此，仅仅借助于进给轴14就足以移动测量臂16。为此，在变型中，如果可充分精确地控制机器轴，则取决于期望的测量方向Mx、Mz，还可通过不同的机器轴和/或多个机器轴来使具有测量臂16的测量系统15同时地沿期望的测量方向移动。
测量臂接纳单元18可包括用于附接测量臂16的机械和/或电气接口(图3)。用于测量臂16的机械和/或电气紧固部件可布置于测量臂接纳单元18的接纳主体19上，所述接纳主体从旋转轴线D沿径向突出。接纳主体19可围绕旋转轴线D旋转地安装。为此，接纳主体19连接到旋转部件20，或与旋转部件20一体地形成。在图4、图6、图8以及图9中，图示旋转部件20，并且，旋转部件20是测量臂接纳单元18的一部分。根据示例，旋转部件20与旋转轴线D同轴地布置。
测量系统15包括具有电动马达25的马达单元24。电动马达25优选地体现为无刷电动马达。电动马达25具有定子26和转子27。根据示例，电动马达25永久地被激励。为此，永久磁体28以沿周向U围绕旋转轴线D分布的方式布置于定子26上。在一个示例性的实施例中，定子26呈壶状或杯状，并且，永久磁体26布置于定子的内周面上(图6和图7)。定子26在外端29处连接到轴向销30，以便沿与旋转轴线D平行地取向的轴向A联合旋转。轴向销30沿着旋转轴线D延伸，使得轴向销30的纵轴限定旋转轴线D。在本文中所提出的示例性的实施例中，定子26在其外端29处包括壁部分31，壁部分31相对于旋转轴线D沿径向延伸，并且，借助于具有摩擦地接合且/或刚性地接合且/或优选地一体地结合的连接，连接到轴向销30，以实现联合旋转。
电动马达25的转子27包括多个转子绕组32，并且，在优选的示例性的实施例中，包括三个转子绕组32，可在图6、图8和图9中看到这些转子绕组32中的两个转子绕组32。转子绕组32环绕转子27的层压芯33布置于外部。
测量臂接纳单元18的旋转部件20连接到转子27，以实现联合旋转。在示例性的实施例中，实现用于联合旋转的连接，因为，转子27和旋转部件20两者布置于共同的支承架套筒38上，以实现联合旋转。为了可旋转地安装转子27和旋转部件20，根据示例，可沿周向U围绕旋转轴线D旋转地且可沿轴向A沿着旋转轴线D移位地安装共同的支承架套筒38。为此，根据示例，设有滚珠轴承导向单元39。滚珠轴承导向单元39允许支承架套筒38沿周向U旋转且相对于轴向销30沿轴向A移位。
根据示例的滚珠轴承导向单元39包括滚珠轴承导向套筒40，滚珠轴承导向套筒40包括多个滚珠41(图11)。在示例性的实施例的情况下，除了具有滚珠41的滚珠轴承导向套筒40之外，滚珠轴承导向单元39还包括轴向销30和支承架套筒38。滚珠41各自布置于滚珠轴承导向套筒40中的滚珠座中，以便可围绕滚珠中心点沿所有的方向旋转。因此，滚珠轴承导向套筒40也可被称为滚珠轴承罩。具体地，可从图8、图9和图11看到，滚珠41沿着螺旋形路径S围绕旋转轴线D布置。在图8中，螺旋形路径S以虚线的方式示意性地显示。螺旋形路径S也可被称为螺旋线。螺旋形路径S具有超前角α。在与所描绘的示例性的实施例相比的变型中，也有可能沿着多个螺旋形路径S布置滚珠41，这些螺旋形路径S布置为沿周向U彼此偏移。在一个轴向端处，滚珠轴承导向套筒40包括环状凸缘42，环状凸缘42基本上在径向平面上相对于旋转轴线D沿径向布置。
可旋转地安装的部件的沿着轴向销30的轴向移动并非理想的。为了无摩擦地且以足够的刚度提供轴向支撑，测量系统15包括磁性轴向轴承装置46，可借助于磁性轴向轴承装置46，限定测量臂接纳单元18和转子27的轴向位置，其中，转子27连接到测量臂接纳单元18，以实现联合旋转。在示例性的实施例中，还借助于磁性轴向轴承装置46，限定滚珠轴承导向套筒40的轴向位置。
根据示例的磁性轴向轴承装置46(图6)具有第一轴向磁性轴承47和第二轴向磁性轴承48。这两个轴向磁性轴承47、48沿轴向A彼此以某一距离布置。第一轴向磁性轴承47被配置为生成第一磁力F1，第一磁力F1在测量臂接纳单元18(且根据示例，旋转部件20)与固定组件52之间沿轴向A起作用。固定组件52包括轴向销30和间接地或直接地连接到轴向销30以实现联合旋转或固定地连接到轴向销30的测量系统15的所有的组成部分。
根据示例，设有壳体49，壳体49连接到轴向销30，以实现联合旋转。壳体49具有空心圆柱设计，且根据示例，以罩的方式形成，而并非完全地无通孔。在与马达单元24沿轴向相对的外端50处，示例性的实施例中的壳体49具有壁部分51，壁部分51基本上相对于旋转轴线D沿径向延伸，并且，借助于壁部分51，壳体连接到轴向销30，以实现联合旋转。
因此，壳体49和定子26是固定组件52的组成部分。
第一磁力F1将旋转部件20从壳体49的外端50向定子26推动。第二轴向磁性轴承48生成测量臂接纳单元18的旋转部件20与固定组件52(根据示例，定子26)之间的第二磁力F2。第二磁力F2将旋转部件20(且根据示例，由旋转部件20、支承架套筒38和转子27形成的可旋转地安装的组件)从定子26向壳体49的外端50推动。在图4中，示意性地显示磁力F1、F2。定子26和壳体49借助于轴向销30来联接，以便不可沿轴向A相对于彼此移动，且联接，以沿周向U联合旋转。第一磁力F1和第二磁力F2从相反方向指向彼此，并且，具有相等的大小。由转子27、测量臂接纳单元18的旋转部件20和支承架套筒38形成的可旋转地安装的组件通过反向的磁力F1、F2沿轴向偏置且定位。图4中的不同的箭头长度不表示大小，而是旨在图示支持磁力的点。
另外，借助于两个轴向磁性轴承中的一个轴向磁性轴承，且根据示例，借助于第一轴向磁性轴承47，预限定滚珠轴承导向套筒40的轴向位置。为此，由第一轴向磁性轴承47生成沿轴向起作用的第三磁力F3，并且，第三磁力F3在固定组件52(根据示例，壳体49)与滚珠轴承导向套筒40之间起作用。根据示例，第三磁力F3将滚珠轴承导向套筒40从壳体49的外端50沿定子26的方向推动。另外，第一轴向磁性轴承47生成第四磁力F4。第三磁力F3和第四磁力F4彼此反向。第三磁力F3和第四磁力F4具有相等的大小，并且，限定滚珠轴承导向套筒40沿着轴向销30的轴向位置。在示例性的实施例中，第四磁力F4在测量臂接纳单元18的旋转部件20与滚珠轴承导向套筒40之间起作用，并且，将滚珠轴承导向套筒40 从旋转部件20沿壳体49的外端50的方向推动。旋转部件20继而借助于固定组件52上的第二轴向磁性轴承48来支持第四磁力F4。
具体地，可从图6看到两个轴向磁性轴承47、48的布置。各个轴向磁性轴承47、48具有多个环状磁体，这些环状磁体与旋转轴线D同轴地布置，并且，沿轴向A磁化。这意味着，环状磁体的北极和南极沿轴向相邻地布置。在图6至图9中，环状磁体的北极由以虚线平行线填充的区示意性地显示，并且，环状磁体的南极以菱形剖面线示意性地显示。根据示例，轴向磁性轴承47、48的所有的环状磁体是永磁式。
如可在图6中看到的，第一轴向磁性轴承47包括沿轴向A相邻地布置的三个环状磁体。第一环状磁体55安置于支撑环56上，支撑环56安装于轴向销30上，以实现联合旋转，且以不可沿轴向移位的方式安装。在其它示例性的实施例中，支撑环56还可直接地连接到壳体49(例如，壁部分51)。因此，支撑环56是固定组件52和/或壳体49的一部分。
紧邻第一环状磁体55，布置有第一轴向磁性轴承47的第二环状磁体57。第二环状磁体57紧固于滚珠轴承导向套筒40上，例如，紧固至环状凸缘42，并且，可相对于轴向销30与滚珠轴承导向套筒40联合地移动。第二环状磁体57的北极在此布置成与第一环状磁体55的北极紧邻，使得第一环状磁体55和第二环状磁体57彼此排斥，以便生成第三磁力F3。
另外，第一轴向磁性轴承47包括第三环状磁体58。根据示例，第三环状磁体58在具有游隙的情况下环绕滚珠轴承导向套筒40。在其径向外部区域中，第三环状磁体58固定地连接到测量臂接纳单元18的旋转部件20。根据示例，旋转部件20具有轴向延伸部59，轴向延伸部59越过支承架套筒38沿轴向突出，并且，第三环状磁体58紧固至轴向延伸部59。示例性的实施例中的支承架套筒38布置于从第三环状磁体58起的轴向距离处。第一轴向磁性轴承47的所有的环状磁体55、57、58与旋转轴线D同轴地布置。
在第一轴向磁性轴承47的该示例性的实施例中，实现第一磁力F1，因为，借助于第二环状磁体57，第三环状磁体58被间接地支撑于第一环状磁体55上。由于该堆叠布置，可使第一轴向磁性轴承47的环状磁体的数量最小化。在修改后的示例性的实施例中，如果这些第一环状磁体55和第三环状磁体58彼此相邻地布置有完全相同的磁极，则还可直接地在第一环状磁体55与第三环状磁体58之间生成第一磁力F1。
在本文中所图示的示例性的实施例的情况下，第一轴向磁性轴承47的全部三个环状磁体55、57、58具有相同的径向尺寸，并且，优选地完全相同地形成。与另外两个环状磁体55、58相比，布置于中间的第二环状磁体57以完全地反向的磁极化布置，以便实现期望的排斥。
第二轴向磁性轴承48包括第四环状磁体60和第五环状磁体61。根据示例，第四环状磁体60和第五环状磁体61具有相同的径向尺寸和/或与第一轴向磁性轴承47的环状磁体55、57、58相同的径向尺寸，并且，可与第一轴向磁性轴承47的环状磁体55、57、58完全相同地构造。第四环状磁体60和第五环状磁体61同轴地环绕旋转轴线D。第四环状磁体60固定地布置于转子27上。第五环状磁体61固定地布置于定子26上，且根据示例，布置于壁部分31上。第四环状磁体60和第五环状磁体61彼此相邻地布置，其中，完全相同的磁极紧邻布置，使得两个环状磁体60、61彼此排斥。因此，轴向磁力在定子26与转子27之间生成，且形成第二磁力F2。根据示例，两个北极布置成彼此紧邻。
如上文所阐释的，在示例性的实施例中，所有的环状磁体55、57、58、60、61具有相同的径向尺寸。因此，由这些环状磁体生成的磁力布置于从旋转轴线D起的相同的距离处，以便不产生相对于旋转轴线D成直角的转矩。
由于滚珠轴承导向套筒40的滚珠41围绕旋转轴线D在螺旋路径S上布置，因而滚珠轴承导向套筒40由于围绕轴向销30旋转，倾向于根据螺旋路径S的间距，沿着轴向销30沿轴向A仅移动至一侧。由磁性轴向轴承装置46防止该移动。借助于滚珠41的沿着螺旋路径S的布置，可避免滚珠轴承导向套筒40的沿着轴向销30的非常小的微移动，所述微移动不能被磁性轴向轴承装置46单独地支持。因此，可进一步改进滚珠轴承导向套筒40(且因此，同样地，安装于滚珠轴承导向套筒40上的测量臂导向单元18)在轴向A上的定位。
测量系统15包括测量装置67，测量系统15用于检测测量臂接纳单元18或接纳主体19的围绕旋转轴线D的旋转位置。在图4中，以非常示意的方式显示测量装置67。在图7和图9中，测量装置67的组成部分同样地为可见的。标度部件68和检测单元69属于测量装置67。检测单元69 与标度部件68一起(根据示例，非接触式地)工作，以便检测旋转位置。为此，根据示例的检测装置69包括发射器70和接收器71。根据示例，发射器70体现为光发射器，并且，根据示例，接收器71体现为光接收器。发射器70和接收器71可相对于标度部件68布置于相同侧或相对侧。根据示例，发射器70和接收器71相邻地布置于相同侧，并且，紧固至壳体49。
标度部件68连接到固定组件52，且根据示例，连接到测量臂接纳单元，以实现联合旋转。在示例性的实施例中，标度部件68体现为全封闭且沿周向U的环盘(图9)。标度部件68包括在环形标度区域中的交替的光反射元件和非光反射元件。然而，反射区域将发射器70所发出的光反射，光至少部分地被非反射元件吸收。由接收器71检测所反射的光的不同的强度。因此，可识别相对移动。因此，在检测单元69的帮助下，可检测测量臂接纳单元18的围绕轴向销30(且因此，围绕旋转轴线D)的旋转角位置的改变。这样检测的旋转角度值与待测量的变量(例如，可用于确定物体12的表面11的粗糙度或其形状或几何结构的测量值)相关。
在与所描绘的示例性的实施例相比的变型中，标度部件68或其标度区域也可能不是全封闭的，并且，当测量范围相应地限于比360°更小的角度范围时，可以圆弧的形式体现。借助于全封闭(根据示例，具有环形地封闭的标度区域)的盘，原则上，可使用测量臂16来测量任何任意的旋转角位置(0°至360°)。
马达单元24或电动马达25被配置为在测量臂接纳单元18(且因此，布置于测量臂接纳单元18上的测量臂16)上生成围绕旋转轴线D的马达转矩。因此，在测量的期间，可设置(且具体地，控制)测量元件17抵靠物体12的表面11的预限定的测量力。控制单元(未显示)可针对电动马达25的马达转矩，预限定马达控制变量特性，而且，可以取决于参数的方式，至少根据存储于控制单元中的特性曲线，通过开环或闭环控制来控制该马达控制变量。例如，马达控制变量可为马达电流。至少一个特性曲线可取决于至少一个参数，例如，取决于所使用的测量臂16，具体地，旋转轴线D与测量元件17之间的测量臂16的长度和/或其重量、测量臂16的(具体地，相对于水平或竖直的)电流旋转角位置以及其它参数。因此，控制单元可控制期望的测量力。可针对不同的测量臂和/或在不同的测量范围(围绕旋转轴线的旋转角度范围)内，在经验上确定至少一个特性曲线。
有必要根据示例，建立一个或多个可旋转地安装的构件与固定组件52之间的电连接。具体地，在图4中，示意性地图示电连接。多个电气绕组终端76设于转子27上，以实现转子绕组32的电连接。在示例性的实施例中，四个电气绕组终端设于转子27上。针对各个(根据示例，三个)转子绕组32和另一共同的绕组终端76，设有绕组终端76，其中，另一共同的绕组终端76电连接到星点77，所有的转子绕组32电连接到另一共同的绕组终端76。取决于转子绕组32及其电连接的数量，也可将更多或更少的电气绕组终端76设于转子27上。
根据示例，至少一个电气测量臂终端78设于测量臂接纳单元18上，并且，在各个情况下，电连接到接纳主体19上的一个或多个电气接触元件79。至少一个接触元件79可由接触表面、接触销、接触插座等形成。接触元件79与所接纳的测量臂16一起配置成与测量臂16上的合适的对应的相对的电气接触件实现电连接。取决于测量臂接纳单元的实施例，可设有一个、两个或同样地更多个接触元件79和/或测量臂终端78。在图5中，仅仅借助于示例来图示两个测量臂终端78。
76处的绕组终端和测量臂终端78两者可围绕旋转轴线D旋转地安装。相对于旋转轴线D或轴向销30以旋转式地固定的方式布置的电气终端装置80设于壳体49或固定组件52的另一部件上(图3、图4和图14)。取决于所设置的绕组终端76和测量臂终端78的数量，电气终端装置80具有对应的数量的电气终端81。例如，在图13中，显示表现为终端夹82的形式的九个电气终端81。在示例性的实施例中，终端装置80的电气终端81紧固于电绝缘板上，在此，所述板固定地连接到壳体49。
设有电连接装置82，电连接装置82提供终端装置80的电气终端81与所设置的绕组终端76和/或测量臂终端78之间的电连接，并不显著限制测量臂接纳单元18或转子27围绕轴向销30旋转的能力。
例如，电连接装置84可包括滑动接触件(诸如，电刷等)，或还包括滚动元件(诸如，滚珠或辊)，这些部件导电，且在与旋转轴线D同中心地布置的导电轨道上滑动或滚动。轨道可例如通过对应的线或电缆来电连接到绕组终端76和/或测量臂终端78。
在示例性的实施例的情况下，电子连接装置84包括一个或多个电气螺旋导体85。各个螺旋导体85沿旋转轴线D的方向从外端86沿径向向内以螺旋的方式卷绕，其中，匝的半径沿径向向内减小。螺旋导体85基本上在径向平面上相对于旋转轴线D延伸。径向最内匝87接纳于紧固环88中，径向最内匝87包括或形成螺旋导体85的径向内端。紧固环88具有径向向外开口的凹槽或通道。通道由紧固环88的第二侧壁88a沿轴向A划界，第二侧壁88a由紧固环88的环形基部88b沿径向向内彼此连接。因此，紧固环88具有U状横截面。径向最内匝87可以具有摩擦地接合、一体地结合或刚性接合的方式或通过这些紧固类型的组合固定于紧固环88中。在示例性的实施例中，紧固环88的侧壁88a至少在某些点处再成形，并且，在这些点处，对径向最内匝87上施加夹持力，且/或在这些再成形的点处，形成与径向最内匝87的刚性接合的连接。
螺旋导体85和紧固环88由导电材料制成，并且，同样地通过建立机械连接来彼此电连接。如具体地在图14中显示的，螺旋导体的外端86电连接到电气终端装置80的相关联的终端81。
紧固环88(且具体地，其环形基部88b)在一个或多个周点处在其径向向内朝向的下侧形成有非圆区域89。非圆区域89将被理解为意指并非位于与紧固环88的径向内部下侧的剩余部分共同的圆柱侧面上，而是位于其外侧的周点。在本文中所提出的示例性的实施例的情况下，非圆区域89以扁平化的部分体现，扁平化的部分延伸至具有圆柱侧面的圆柱中，其中，紧固环88的下侧在该圆柱侧面上位于非圆区域89的外侧。
用于螺旋导体86的紧固环88布置于与旋转轴线D同轴地布置的主体(且根据示例，套筒状支承架90)上的外侧面上。该外侧面具有适应于紧固环88的径向内部下侧的横截面轮廓。该外侧面包括与非圆区域89对应的周边区域(在示例性的实施例中，扁平化的部分)。因此，防止紧固环88相对于套筒状支承架90围绕旋转轴线D旋转。代替扁平化的部分，还可设有其它抗扭部件，例如，套筒状支承架90的侧面上的轴向凹槽和各个紧固环88的径向内部下侧的对应的突出部，所述突出部接合于轴向凹槽中。紧固环88还可通过一体地结合的连接(诸如，胶合、焊接等)来连接到套筒状支承架90。
示例性的实施例中的套筒状支承架90由电绝缘的材料构成。在各个情况下，由电绝缘的材料制成的绝缘环98布置于两个紧邻的紧固环88之间。具有布置于紧固环88之间的绝缘环91的紧固环88沿轴向A被固定(且根据示例，夹持)于套筒状支承架90的端面凸缘92与固定环93之间。例如，固定环93可在与凸缘92相对的轴向端处螺接到套筒状支承架90上。
套筒状支承架90连接到旋转部件20(且根据示例，轴向延伸部59)，以实现联合旋转。因此，套筒状支承架90相对于壳体49围绕旋转轴线D与测量臂接纳单元18的旋转部件20或转子27联合地旋转。取决于旋转的感测，可使以螺旋的方式卷绕的螺旋导体85卷绕或松开，其中，使其各个匝移动得彼此更接近或彼此更远离。
如从附图(且具体地，图10)显而易见的，本文中所描述的示例性的实施例中的螺旋导体85由螺旋弹簧97形成。螺旋弹簧97可在套筒状支承架90与壳体49之间生成转矩，所述转矩例如充当用于测量臂16的重力所施加的转矩的至少部分补偿的补偿转矩(图14)。因此，螺旋弹簧97形成重量补偿装置98。可取决于所使用的测量臂16(具体地，其长度和重量)，设置补偿转矩MK，从而为了施加期望的测量力，马达单元24或电动马达25必须生成具有可能的最小的大小的转子转矩。螺旋弹簧97的取决于围绕旋转轴线D的旋转角度的弹簧特性曲线具有充分小的梯度，使得有可能在期望的旋转角度测量范围内实现由测量臂16生成的围绕旋转轴线D的转矩的良好补偿。
重量补偿装置98具有设置装置99，设置装置99被配置为设置补偿转矩MK的大小。根据示例，形成设置装置99，使得套筒状支承架90相对于壳体49围绕旋转轴线D旋转，直到达到补偿转矩MK的期望的大小为止(图14)。在该位置处，产生将套筒状支承架90连接到测量臂接纳单元8的旋转部件20的连接，且随后由围绕旋转轴线D的期望的补偿转矩MK对该连接起作用。
在图12和图13中，显示套筒状支承架90的区域中的电气接触件。各个导电紧固环88抵靠导电接触销103。接触销103布置于套筒状支承架90上，并且，从旋转轴线D向对应的相关联的紧固环88沿径向向外突出。另外，各个接触销103电连接到导体104。在示例性的实施例中，导体104是带状电缆105形成的导体。如可在图13中示意性地看到的，在套筒状支承架90的径向外侧，带状电缆105延伸于轴向凹部中。借助于带状电缆105的绝缘，使导体104电绝缘。
带状电缆105被导向至测量臂接纳单元18的旋转部件20。在测量臂接纳单元18的区域中，各个导体104电连接到一个测量臂终端78或一个绕组终端76。可在图6、图8和图9中看到，环形印制电路板106紧固至旋转部件20。环形印制电路板106可支承电气和/或电子构件。另外，从而产生连接到转子绕组32的电连接。
因此，测量系统15可实现测量臂接纳单元18和连接到测量臂接纳单元18的测量臂16的围绕旋转轴线D的大且实际上无限制的测量范围或旋转角度范围。马达单元24和测量装置67以旋转方式工作，并且，围绕旋转轴线D(且具体地，与旋转轴线D同轴地)布置。在根据本发明的实施例中，不存在如具有双臂摇杆的测量系统中的情况那样的测量臂的可能的偏转范围的限制。
另外，测量系统15提供有利的安装。有可能借助于滚珠轴承导向套筒40来实现围绕轴向销30的以低摩擦旋转的能力。磁性轴向轴承装置46沿轴向A支撑测量系统15的可旋转地安装的组成部分，并且，以无摩擦的方式限定其轴向位置。
应当注意到，在图6-9和图13的截面图示中，为了清楚起见，尚未给所有的切面(具体地，螺旋弹簧97和紧固环88的切面)加剖面线。
本发明涉及用于测量仪10的测量系统15。测量臂接纳单元18安装于壳体49或连接到壳体49的轴向销30上，以实现联合旋转，以便可围绕旋转轴线D旋转或枢转。测量臂16可布置于测量臂接纳单元18上。使用具有电动马达25的马达单元24来在测量臂接纳单元18上生成围绕旋转轴线D的马达转矩。马达单元24具有与旋转轴线D同轴地布置的转子27。借助于具有标度部件68和检测单元69的测量装置67，检测指定测量臂接纳单元18的围绕旋转轴线D的旋转角位置的旋转角度。标度部件68以圆弧的形式、环形地或以围绕旋转轴线D的盘的形式或与旋转轴线D同轴地布置。借助于滚珠轴承导向单元39的滚珠轴承导向套筒40来将测量臂单元18安装于轴向销30上，使得测量臂单元18可沿周向围绕旋转轴线D旋转，并且，可沿着旋转轴线D沿轴向A移位。测量臂单元18的沿轴向A的轴向位置借助于磁性轴向轴承装置46来限定，并且，在操作期间得到维持。

Claims (16)

1.一种用于测量仪(10)的测量系统(15)，其具有
测量臂接纳单元(18)，所述测量臂接纳单元(18)配置成用于布置测量臂(16)，
固定组件(52)，所述固定组件(52)具有轴向销(30)，其中，所述轴向销(30)沿轴向(A)沿着旋转轴线(D)延伸，
滚珠轴承导向套筒(40)，借助于所述滚珠轴承导向套筒(40)来将测量臂接纳单元(18)安装于所述轴向销(30)上，使得所述测量臂接纳单元(18)可围绕所述轴向销(30)旋转地安装，并且，可沿所述轴向(A)沿着所述轴向销(30)移位地安装，
磁性轴向轴承装置(46)，所述磁性轴向轴承装置(46)被配置为限定所述测量臂接纳单元(18)沿着所述轴向销(30)的轴向位置。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述磁性轴向轴承装置(46)被配置为限定所述滚珠轴承导向套筒(40)沿所述轴向(A)沿着所述轴向销(30)的轴向位置。
3.根据权利要求1或2所述的测量系统，其特征在于，所述磁性轴向轴承(46)包括在所述测量臂接纳单元(18)的一个轴向侧的第一轴向磁性轴承(47)和在所述测量臂接纳单元(18)的相应的另一轴向侧的第二轴向磁性轴承(47)。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述第一轴向磁性轴承(47)被配置为生成在所述测量臂接纳单元(18)与所述固定组件(52)之间沿所述轴向(A)起作用的第一磁力(F1)。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述第二轴向磁性轴承(48)被配置为生成在所述测量臂接纳单元(18)与所述固定组件(52)之间沿所述轴向(A)起作用的第二磁力(F2)。
6.根据权利要求4和5所述的测量系统，其特征在于，所述第一磁力(F1)与所述第二磁力(F2)相反地起作用。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述第一磁力(F1)和所述第二磁力(F2)指向彼此。
8.根据权利要求3-7中的任一项所述的测量系统，其特征在于，所述第一轴向磁性轴承(47)和/或所述第二轴向磁性轴承(48)被配置为产生在所述滚珠轴承导向套筒(40)与所述固定组件(52)之间沿所述轴向(A)起作用的第三磁力(F3)。
9.根据权利要求3-8中的任一项所述的测量系统，其特征在于，所述第一轴向磁性轴承(47)和/或所述第二轴向磁性轴承(48)被配置为生成在所述滚珠轴承导向套筒(40)与所述测量接纳单元(18)和/或所述固定组件(52)之间沿所述轴向(A)起作用的第四磁力(F4)。
10.根据权利要求8和9所述的测量系统，其特征在于，所述第三磁力(F3)与所述第四磁力(F4)相反地起作用。
11.根据权利要求10所述的测量系统，其特征在于，所述第三磁力(F3)和所述第四磁力(F4)指向彼此。
12.根据权利要求3-11中的任一项所述的测量系统，其特征在于，所述第一轴向磁性轴承(47)和/或所述第二轴向磁性轴承(48)各自包括至少两个环状磁体(55、57、58；60、61)，这些环状磁体与所述旋转轴线(D)同轴地布置，以便生成轴向磁力(F1、F2、F3、F4)。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，所述滚珠轴承导向套筒(40)包括多个滚珠座，各个滚珠座用于一个滚珠(41)，其中，所述滚珠(41)围绕所述旋转轴线(D)沿着螺旋形路径布置。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，设有测量装置(67)，所述测量装置(67)包括标度部件(68)和与所述标度部件(68)协作的检测单元(69)，以便检测测量值，其中，所述标度部件(68)或所述检测单元(69)连接到所述测量臂接纳单元(18)，并且，布置成与所述测量臂接纳单元(18)联合地可围绕所述旋转轴线(D)旋转。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，设有马达单元(24)，所述马达单元(24)包括转子(27)，所述转子(27)与所述旋转轴线(D)同轴地布置，并且，连接到所述测量臂单元(18)，以实现联合旋转。
16.根据权利要求15所述的测量系统，其特征在于，所述测量臂接纳单元(18)和所述转子(27)布置于共同的支承架套筒(39)上，所述支承架套筒(39)借助于所述滚珠轴承导向套筒(40)来安装于所述轴向销(30)上。
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