DE10137014A1

DE10137014A1 - Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE10137014A1
Application number: DE10137014A
Authority: DE
Inventors: Johann Mitterreiter
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-07-31
Also published as: US6714292B2; DE10137014B4; US20030025903A1

Abstract

In einer Positionsmesseinrichtung ist ein Einstellmittel (5) zur Einstellung des Abtastabstandes (A) integriert. Das Einstellmittel (5) ist in Richtung des Abtastabstandes (A) in einem Halter (1) von einer Montagestellung in eine Betriebsstellung verschiebbar, wobei es in der Montagestellung mit Anschlägen (3.3) des Teilungsträgers (3) zusammenwirkt. Um das Einstellmittel spielfrei im Halter (1) zu halten und zu führen, ist ein Koppelelement in Form eines Druckelementes (9) am Halter (1) angeordnet, welches das Einstellmittel (5) an eine Führungsfläche (10) des Halters (1) drängt oder ist das Einstellmittel (5) über Verbindungsstege (11 bis 14) an den Halter (1) angelenkt (Figur 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine Positionsmesseinrichtung 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.
Die sogenannten modular aufgebauten Positionsmesseinrichtungen setzen sich aus Kostengründen und den platzsparenden Einbau immer mehr durch. Bei einer modular aufgebauten Positionsmesseinrichtung weist die Positionsmesseinrichtung 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.
Eine Positionsmesseinrichtung in Form einer Winkelmesseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1 ist aus der US 5,057,684 bekannt. Zur Einstellung des Abtastabstandes ist ein Einstellmittel mittels eines bügelförmigen Betätigungsmittels in Richtung des Abtastabstandes, also axial von einer Montagestellung in eine Betriebsstellung verschiebbar. Diese Verschiebung erfolgt in einer Aussparung des Halters der Detektoranordnung. In der Praxis ist der Halter und das darin axial verschiebbare Einstellmittel meist aus Kunststoff gefertigt. Es hat sich gezeigt, dass das Einstellmittel in der Aussparung des Halters fertigungsbedingt ein relativ großes radiales Spiel hat. Aufgrund dieses Spiels ist bei der Montage die radiale Zuordnung zwischen dem Teilungsträger und der Detektoranordnung undefiniert. Der radiale Abstand zwischen der Teilung und der Detektoranordnung weist eine vom Spiel abhängige Toleranz auf. Bei der immer mehr fortschreitenden Miniaturisierung ist die radiale Breite der Teilung sowie der Detektorelemente relativ klein. In vielen Fällen befinden sich auf dem Teilungsträger auch mehrere in radialer Richtung nebeneinander angeordnete Teilungsspuren. Die Detektoranordnung weist zur Abtastung dieser Teilungsspuren auch radial nebeneinander angeordnete Detektorelemente auf. Ein zu großes radiales Spiel zwischen dem Einstellmittel und dem Halter kann dazu führen, dass die erforderliche Zuordnung zwischen Teilung und Detektorelement bei der Montage nicht erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Positionsmesseinrichtung anzugeben, bei der die korrekte Lagezuordnung zwischen der Teilung und der Detektoranordnung durch das Einstellmittel besser gewährleistet ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist, dass ohne großen fertigungstechnischen Aufwand die korrekte Lagezuordnung zwischen der Teilung und der Detektoranordnung gewährleistet ist. Die Führung des Einstellmittels im Halter ist zumindest in der erforderlichen Richtung, die den Abstand zwischen der Teilung und der Detektoranordnung (senkrecht zum Abtastabstand) vorgibt, spielfrei.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht einer Winkelmesseinrichtung in der Montagestellung,
Fig. 2 einen Schnitt II-II der Winkelmesseinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt III-III der Winkelmesseinrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine Draufsicht der Winkelmesseinrichtung gemäß Fig. 1 in der Betriebsstellung,
Fig. 5 einen Schnitt V-V der Winkelmesseinrichtung gemäß Fig. 4,
Fig. 6 einen Schnitt VI-VI der Winkelmesseinrichtung gemäß Fig. 4,
Fig. 7 eine Ansicht eines zweiten Beispiels einer Winkelmesseinrichtung,
Fig. 8 eine Teilansicht eines dritten Beispiels einer Winkelmesseinrichtung,
Fig. 9 eine Seitenansicht der Winkelmesseinrichtung gemäß Fig. 8 in der Montagestellung und
Fig. 10 die Seitenansicht gemäß Fig. 8 in der Betriebsstellung.
In den Fig. 1 bis 6 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Winkelmesseinrichtung dargestellt. Der prinzipielle Aufbau dieser Winkelmesseinrichtung entspricht der Winkelmesseinrichtung gemäß der US 5,057,684, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird. Diese Winkelmesseinrichtung ist dazu ausgelegt, um an eine Antriebseinheit - insbesondere einen Elektromotor - angebaut zu werden. Im angebauten Zustand wird die Drehung der Motorwelle gegenüber dem stationären Teil des Motors gemessen.
Hierzu besteht die Winkelmesseinrichtung aus einem Halter 1 mit einer Detektoranordnung 2. Der Detektoranordnung 2 gegenüberliegend angeordnet ist ein Teilungsträger 3 mit einer Teilung 4. Der Teilungsträger 3 besteht aus einer Scheibe 3.1 und einer Nabe 3.2.
Um dem Anwender den Anbau der Winkelmesseinrichtung an den Motor zu erleichtern, sind beim Hersteller bereits Maßnahmen vorgesehen. Insbesondere ist ein Einstellmittel 5 in einer Aussparung 6 des Halters 1 angeordnet. Das Einstellmittel 5 weist seitliche Führungsschrägen 5.1 auf, die mit korrespondierenden Führungsschrägen 7.1 eines Betätigungsmittels 7 zusammenwirken. Das Betätigungsmittel 7 ist bügelförmig ausgeführt und weist zwei Schenkel 7.2 auf, die in korrespondierende Passungen des Halters 1 radial einschiebbar sind. Während des Einschiebens kommen die Führungsschrägen 7.1 der Schenkel 7.2 mit den Führungsschrägen 5.1 des Einstellmittels 5 in Kontakt und halten dieses im Halter 1. Dabei stützen sich die Schenkel 7.2 einerseits axial am Halter 1 ab und wirken andererseits zur axialen Fixierung des Einstellmittels 5 mit diesen zusammen.
In den Fig. 1 bis 3 ist eine Position des Betätigungsmittels 7 dargestellt, in der der Abtastabstand A (axialer Abstand zwischen der Teilung 4 und dem diese abtastenden Detektorelement der Detektoranordnung 2) durch das Zusammenwirken von Anschlägen 5.2 des Einstellmittels 5 und Anschlägen 3.3 des Teilungsträgers 3 definiert vorgegeben ist. Diese radiale Stellung des Betätigungsmittels 7 ist vorteilhafterweise durch eine Rastung im Halter 1 fixiert. In dieser Stellung wird der Halter 1 drehstarr mit dem stationären Teil des Motors und die Nabe 3.2 drehstarr mit der Welle des Motors verbunden. Dabei wird die Nabe 3.2 axial an das Einstellmittel 5 gedrückt.
Die radiale Lagezuordnung zwischen der Teilung 4 und der Detektoranordnung 2 ist durch das Einstellmittel 5 vorgegeben, indem es einerseits eine Aufnahme 5.3 aufweist, in der der Teilungsträger 3 in der Montagestellung radial fixiert ist und andererseits in radialer Richtung R - also in Richtung der Detektoranordnung 2 senkrecht zum Abtastabstand verlaufend - mit dem Halter 1 spielfrei gekoppelt ist. Diese Kopplung ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch ein Druckelement 9 realisiert, das das Einstellmittel 5 an eine oder mehrere Führungsflächen 10 des Halters 1 drängt. Das Druckelement ist beispielsweise ein Federelement in Form eines elastischen Steges 9, der einstückig am Halter 1 angeformt ist und auf das Einstellmittel 5 eine Druckkraft in Richtung R ausübt. Die spielfreie Kopplung zwischen dem Einstellmittel 5 und dem Halter 1 ist somit durch Kraftschluss in dieser Richtung R gewährleistet.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist es vorteilhaft, wenn der Steg 9 einen Vorsprung 9.1 aufweist und punktförmig bzw. in axialer Richtung linienförmig mit dem Einstellmittel 5 in Kontakt steht und die Führungsflächen 10 des Halters 1 ebenfalls als Vorsprünge ausgebildet sind. Dadurch wird eine definierte Zuordnung des Einstellmittels 5 und somit der darin radial fixierten Scheibe 3.1 gewährleistet. Die erforderlichen Toleranzen sind bei der Fertigung einfach einzuhalten, da in der Aussparung 6 des Halters 1 nur die Führungsflächen 10 einen fest vorgegebenen Abstand in Richtung R zur Detektoranordnung 2 aufweisen müssen.
Nachdem der Halter 1 drehstarr mit dem stationären Teil des Motors und die Nabe 3.2 drehstarr mit der Welle des Motors in der nach den Fig. 1 bis 3 dargestellten Zuordnung verbunden ist, wird das Einstellmittel 5 axial verschoben. Diese axiale Verschiebung wird durch das Betätigungsmittel 7 eingeleitet, indem die Schenkel 7.2 radial in den Halter 1 weiter eingeschoben werden und durch das Zusammenwirken der Führungsschrägen 5.1 des Einstellmittels 5 und der Führungsschrägen 7.1 des Betätigungsmittels 7 diese radiale Bewegung des Betätigungsmittels 7 in eine untersetzte axiale Verschiebebewegung des Einstellmittels 5 übertragen wird. Die Schenkel 7.2 stützen sich axial am Halter 1 ab und fixieren auch während der radialen Verschiebung das Einstellmittel 5 axial in einer durch die Führunsschrägen 5.1, 7.1 vorgegebenen Lage. Dabei bewegen sich die axial wirkenden Anschläge 5.2 des Einstellmittels 5 von den Anschlägen 3.3 des Teilungsträgers 3 weg. Ebenso kommt die radial wirkende Aufnahme 5.3 des Einstellmittels 5 von der Umfangsfläche der Nabe 3.2 außer Eingriff, indem sie einer Umfangsfläche mit kleinerem Durchmesser gegenübersteht. In dieser Stellung des Einstellmittels 5 ist die Winkelmesseinrichtung betriebsbereit. Diese Zuordnung ist vorteilhafterweise durch eine Rastung oder durch Anschläge zwischen dem Betätigungselement 7 und dem Halter 1 vorgegeben. Diese Betriebsstellung der Winkelmesseinrichtung ist in den Fig. 4 bis 6 dargestellt.
Anhand der Fig. 7 wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der Grundaufbau dieser Winkelmesseinrichtung entspricht der Ausführung gemäß den Fig. 1 bis 6, so dass nachfolgend nur die Unterschiede erläutert werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Betätigungsmittel 7 nicht dargestellt.
Um eine spielfreie Kopplung des Einstellmittels 5 mit dem Halter 1 in radialer Richtung R (in Richtung der Detektoranordnung 2) zu erreichen, ist das Einstellmittel 5 über zumindest einen in Richtung R steifen und in Richtung des Abtastabstandes A auslenkbaren Verbindungssteg 11 bis 14 am Halter 1 angelenkt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier parallel zueinander und in radialer Richtung R verlaufende Verbindungsstege 11, 12, 13, 14 mit jeweils ihren einen Enden mit dem Halter 1 und ihren weiteren Enden mit dem Einstellmittel 5 verbunden. Die auslenkbaren Verbindungsstege 11 bis 14 gewährleisten eine spielfreie Führung des Einstellmittels 5 in axialer Richtung. Wird das Einstellmittel 5 aufgrund des Zusammenwirkens der Führungsschrägen 5.1 und 7.1 in axialer Richtung verlagert, werden die Verbindungsstege 11 bis 14 aufgrund ihrer starren Verbindung in Richtung R mit dem Halter 1 einerseits und dem Einstellmittel 5 andererseits zwischen ihren Befestigungspunkten verbogen und ggf. gedehnt.
Die Verbindungsstege 11 bis 14 sind vorteilhafterweise einstückig mit dem Halter 1 und dem Einstellmittel 5 als Kunststoffteil ausgebildet.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 8 bis 10 sind ebenfalls Verbindungsstege 11 bis 14 als Koppelelemente zwischen dem Einstellmittel 5 und dem Halter 1 angeordnet. Im Unterschied zu dem vorherigen Beispiel ist die Länge der Verbindungsstege 11 bis 14 derart gewählt, dass sich eine erste Ruhestellung im ausgelenkten Zustand gemäß Fig. 9 als Montagestellung und nach Aufbringen einer Knickkraft eine zweite Ruhestellung im ausgelenkten Zustand gemäß Fig. 10 als Betriebsstellung einstellt. Um eine definiertes Umknicken zu erleichtern, sind an den Befestigungspunkten Gelenke 15 ausgebildet.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei einer Winkelmesseinrichtung mit scheibenförmigen Teilungsträger 3 einsetzbar. Dabei verläuft die Richtung R, in der das Einstellmittel 5 mit dem Halter 1 spielfrei zu koppeln ist senkrecht zum Abtastabstand A und von der Detektoranordnung 2 senkrecht zur Drehachse des Teilungsträgers 3. Die Erfindung kann aber auch bei Längenmesseinrichtungen erfolgreich zur Anwendung kommen. Dabei verläuft die Richtung R, in der das Einstellmittel 5 mit dem Halter 1 spielfrei zu koppeln ist senkrecht zum Abtastabstand A und von der Detektoranordnung 2 ausgehend senkrecht zur Messrichtung. Die axiale Richtung verläuft hier in Richtung des Abtastabstandes, also senkrecht zur abzutastenden teilungstragenden Oberfläche.
Die Teilung 4 ist eine inkrementale oder eine absolute ein- bzw. mehrspurige Codierung, die lichtelektrisch, kapazitiv, induktiv oder magnetisch abtastbar ist.

Claims

1. Positionsmesseinrichtung mit
einem Teilungsträger (3);
einer Detektoranordnung (2) an einem Halter (1) zur Abtastung des Teilungsträgers (3) in einem vorgegebenen Abtastabstand (A);
einem Einstellmittel (5) zum Einstellen des Abtastabstandes (A), das relativ zum Halter (1) in Richtung des Abtastabstandes (A) von einer Montagestellung in eine Betriebsstellung verlagerbar ist, wobei das Einstellmittel (5) einen Anschlag (5.2) aufweist, der in der Montagestellung mit einem in Richtung des Abtastabstandes (A) wirkenden Anschlag (3.3) des Teilungsträgers (3) zusammenwirkt und die Anschläge (3.3, 5.2) in der Betriebsstellung außer Eingriff sind und das Einstellmittel (5) weiterhin eine Aufnahme (5.3) aufweist, die in der Montagestellung den Teilungsträger (3) senkrecht zur Richtung des Abtastabstandes (A) ausgerichtet hält und die Aufnahme (5.3) durch Verlagerung in Richtung des Abtastabstandes (A) vom Teilungsträger (3) entfernbar ist,
gekennzeichnet durch
ein Koppelelement (9, 11 bis 14), welches das Einstellmittel (5) an den Halter (1) zumindest in einer Richtung (R) senkrecht zum Abtastabstand (A) spielfrei koppelt.

2. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement ein Druckelement (9) ist, das das Einstellmittel (5) an eine Führungsfläche (10) des Halters (1) in Richtung (R) der Detektoranordnung (2) drängt.

3. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement ein in dem Halter (1) einstückig ausgebildetes Federelement (9) ist.

4. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement zumindest ein in Richtung des Abtastabstandes (A) auslenkbarer Verbindungssteg (11 bis 14) zwischen dem Einstellmittel (5) und dem Halter (1) ist, der das Einstellmittel (5) in der zumindest einen Richtung (R) senkrecht zum Abtastabstand (A) fixiert.

5. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (5) über mehrere senkrecht zum Abtastabstand (A) verlaufende und in dieser Richtung (R) steife Verbindungsstege (11 bis 14) mit dem Halter (1) verbunden ist.

6. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (5) in einer Aussparung (6) des Halters (1) angeordnet ist, und zumindest ein Verbindungssteg (11, 12) mit seinem einen Ende im Bereich der Detektoranordnung (2) am Halter (1) und mit seinem weiteren Ende am Einstellmittel (5) befestigt ist und ein zumindest weiterer Verbindungssteg (13, 14) diametral gegenüberliegend mit seinem einen Ende am Halter (1) und mit seinem weiteren Ende am Einstellmittel (5) befestigt ist.

7. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstege (11 bis 14) in der Montagestellung und in der Betriebsstellung jeweils in einer seiner Ruhelagen in Richtung des Abtastabstandes (A) ausgeknickt sind.

8. Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (5) über ein Betätigungselement (7) axial verlagerbar ist, indem eine Bewegung des Betätigungselementes (7) über Führungsschrägen (5.1, 7.1) in eine Bewegung des Einstellmittels (5) übertragen wird.