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Die
Erfindung betrifft einen Multiturn-Drehgeber zur Messung von Winkelpositionen
gemäß dem Anspruch
1.
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Derartige
Multiturn-Drehgeber, häufig
auch als Multiturn-Winkelmessgeräte
bezeichnet, dienen zur Messung von Drehbewegungen einer Welle über mehrere
Umdrehungen. Die Drehbewegungen werden dabei meist absolut erfasst,
wobei dann der ausgegebene Messwert ein Zählerwert oder ein Codewort
ist. In Verbindung mit Zahnstangen oder Gewindespindeln lassen sich
mit Multiturn-Drehgebern auch lineare Bewegungen messen. Multiturn-Drehgeber werden
insbesondere bei Werkzeugmaschinen, Industrierobotern oder Bearbeitungszentren
eingesetzt.
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In
derartigen Multiturn-Drehgebern werden oft durch Untersetzungsgetriebe
die Drehbewegungen der zu messenden Welle auf Drehbewegungen von
winkelcodierten Getrieberädern übertragen,
die sich mit entsprechend geringerer Drehzahl bewegen. Auf diese
Weise kann die Drehstellung der Welle über eine Vielzahl von Umdrehungen
bestimmt werden. Die Drehstellungen sowohl der Welle selbst, als auch
die der untersetzt angetriebenen Getrieberäder können mit Hilfe induktiver Sensoren
bestimmt werden.
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Bei
induktiven Sensoren werden häufig
Erregerwindungen und Detektorwindungen in Form von Leiterbahnen
auf einer gemeinsamen Leiterplatte aufgebracht, die beispielsweise
mit einem Stator eines Drehgebers fest verbunden ist. Dieser Leiterplatte
gegenüber
befindet sich eine weitere Platine, auf der in periodischen Abständen elektrisch
leitende Flächen
als Teilungsstruktur aufgebracht sind, und welche mit dem Rotor
des Drehgebers drehfest verbunden ist. Wenn an den Erregerwindungen
ein elektrisches Erregerfeld angelegt wird, werden in den Detektorwindungen
während
der Relativdrehung zwischen Rotor und Stator von der Winkellage
abhängige
Signale erzeugt. Diese Signale werden dann in einer Auswerteelektronik
weiterverarbeitet.
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In
der
DE 101 58 223
A1 ist ein Aufbau eines induktiven Multiturn-Drehgebers
beschrieben, bei dem auf einem drehbaren Zahnrad des Untersetzungsgetriebes
eine Winkelcodierung bzw. Teilung aufgebracht ist. Diese Winkelcodierung
wird dann durch eine Detektoreinrichtung auf einer Statorseitigen
Leiterplatte abgetastet. Derartige Multiturn-Drehgeber haben den
Nachteil, dass sie vergleichsweise aufwändig zu montieren sind, bzw.
dass die Maß- bzw.
Fertigungstoleranzen für
die Getriebekomponenten relativ eng bemessen sein müssen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Multiturn-Drehgeber
zu schaffen, welcher mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbar
ist und überdies
sehr exakt arbeitet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist
der Multiturn-Drehgeber eine Eingangswelle auf, an der zur Erfassung ihrer
Winkellage drehfest ein erster Codeträger verbunden ist, der von
einer ersten Detektoreinrichtung abtastbar ist. Ferner umfasst der
Multiturn-Drehgeber ein Getriebe, welches von der Eingangswelle
antreibbar ist und das derart konfiguriert ist, dass bei drehender
Eingangswelle die Drehzahl eines dem Getriebe zugeordneten Zahnrads
kleiner ist als die Drehzahl der Eingangswelle. Das Zahnrad weist
weiterhin eine Win kelcodierung, bestehend aus elektrisch leitenden
und elektrisch nicht leitenden Bereichen auf. Zur Abtastung der
Winkelcodierung des Zahnrads ist ein Trägerelement vorgesehen, auf
welchem mindestens eine Erregerwindung zur Erzeugung eines elektromagnetischen
Feldes angeordnet ist und mindestens eine weitere Detektorwindung
angeordnet ist zur Abtastung des durch die Winkelcodierung des Zahnrads
positions- bzw. winkelabhängig
modulierten Feldes. Dabei ist das Zahnrad durch ein Befestigungselement,
das zum Beispiel als ein Stift ausgestaltet ist, relativ zum Trägerelement
radial fixiert. Das Befestigungselement selbst ist am Trägerelement
fixiert.
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Besonders
günstig
ist es, wenn das Trägerelement
als eine Leiterplatte ausgestaltet ist, insbesondere ist es in Weiterbildung
der Erfindung zudem vorteilhaft, wenn die mindestens eine Erregerwindung
und die mindestens eine Detektorwindung auf dem Trägerelement
mit Hilfe der Anwendung von Leiterplattentechnologien als Leiterbahnen
ausgestaltet sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Zahnrad aus Leiterplattenmaterial
auf dem in Leiterplattentechnologie die Winkelcodierung aufgebracht
ist.
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Die
Verwendung der Leiterplattentechnologie, also der hochgenauen Verfahren
zur Herstellung von Leiterplatten, hat unter anderem den Vorteil, dass
die als Leiterbahnen ausgestalteten Erreger- und Detektorwindungen
sowie die Winkelcodierung auf einfache Weise überaus exakt angeordnet werden
können.
Ferner können
die Bohrungen für
die Aufnahme des Befestigungselements mit Hilfe der Leiterplattentechnologie
zusammen mit den Bohrungen der Durchkontaktierungen mit minimalen
Abweichungen zum Leiterbild (hier Erreger-, Detektorwindungen und
die Winkelcodierung) vorgenommen werden. Dadurch kann mit geringem
Aufwand eine sehr hohe Konzentrizität zwischen Winkelcodierung bzw.
Zahnrad und Erreger-/Detektorwindungen erreicht werden, was letztlich
die Messeigenschaften des Multiturn-Drehgebers verbessert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zahnrad relativ
zum Befestigungselement drehbar angeordnet und/oder das Befestigungselement
relativ zum Trägerelement
drehfest, also nicht drehbar, angeordnet.
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Mit
Vorteil ist das Befestigungselement reibschlüssig, zum Beispiel durch eine
Presspassung, am Trägerelement
fixiert bzw. festgelegt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Multiturn-Drehgeber
so aufgebaut, dass der Abtastspalt zwischen der Winkelcodierung
des Zahnrads und dem Trägerelement
mit Hilfe einer formgebundenen Konstruktion definiert ist. Als formgebunden
sind im Folgenden insbesondere Konstruktionen zu verstehen, welche
den Abtastspalt durch einen mechanischen Anschlag vorgeben. Das
heißt,
dass der Abtastspalt beispielsweise durch einen Vorsprung in einem
Bauteil oder durch ein separates Distanzstück definiert ist. Mit Vorteil
weist in diesem Zusammenhang das Zahnrad einen Absatz auf, welcher
am Trägerelement
berührend
anliegt und so den Abtastspalt formgebunden definiert. Alternativ
oder ergänzend
dazu kann aber auch ein Absatz im Trägerelement oder ein separates
Distanzstück
zwischen Trägerelement
und Zahnrad für
den gleichen Effekt vorgesehen sein.
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Diese
formgebundene Definition des Abtastabstandes hat viele Vorteile,
denn gerade bei induktiv arbeitenden Positionsmesssystemen ist es
beispielsweise wichtig, dass der Abtastspalt möglichst exakt eingestellt ist
und darüber
hinaus auch möglichst klein
ist. Diese Sachverhalte sind die Voraussetzung, dass die von den
Detektorwindungen aufgenommen Signale eine gleich bleibende und
große
Signalamplitude aufweisen, was letztlich für das zu erreichende Messziel
von entscheidender Bedeutung ist. Die formgebundene Konstruktion
ermöglicht
eine überaus
exakte relative Positionierung des Zahnrads mit der Winkelcodierung
gegenüber
dem Trägerelement mit
vergleichsweise geringem Aufwand, insbesondere weil Toleranzbetrachtungen
nur eine formgebundene Abmessung reduziert werden können. Bei
herkömmlichen
Systemen ist es dagegen nachteiligerweise erforderlich eine umfangreiche
Toleranzkette zu berücksichtigen,
so dass dort eine Vielzahl von Bauteilen mit relativ geringen Toleranzabweichungen hergestellt
werden müssen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Getriebe konstruktiv
so ausgestaltet ist, dass das Zahnrad axial vorgespannt, zum Beispiel
durch Feder- und/oder
Magnetkräfte,
am Trägerelement
anliegt.
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Das
Getriebe des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers
benötigt
grundsätzlich
kein separates Getriebegehäuse,
weil durch die Erfindung alle Befestigungselemente am Trägerelement
fixiert sind. Dadurch kann auf das Getriebegehäuse verzichtet werden, was
eine Bauweise mit kleineren Außenabmessungen
ermöglicht.
Dies ist ein nicht vernachlässigbarer
Vorteil, weil bei Messgeräten,
wie Multiturn-Drehgebern der permanente Wunsch zur Miniaturisierung
besteht. Darüber
hinaus können
gehäuselose
Getriebe automatisiert montiert werden.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Multiturn-Drehgebers ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
beiliegenden Figuren.
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Es
zeigen die
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1 eine
Schnittdarstellung durch einen Multiturn-Drehgeber,
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2 eine
Draufsicht auf ein Zahnrad mit einer Winkelcodierung,
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3 eine
Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Trägerelements mit Erregerwindungen
und Detektorwindungen,
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4a-4c Ausführungsvarianten
der Anordnung des Zahnrads relativ zum Trägerkörper.
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In
der 1 ist ein Schnitt durch einen Multiturn-Drehgeber
gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung gezeigt. Der Multiturn-Drehgeber umfasst demnach eine
Eingangswelle 1, welche mit Hilfe einer Schraube 9 drehfest
an einer Welle, deren Winkelstellung gemessen werden soll, verbunden werden
kann. An der Eingangswelle 1 ist ein erster Codeträger 2 befestigt,
welcher im vorgestellten Ausführungsbeispiel
als eine Leiterplatte mit einer pe riodischen Abfolge von elektrisch
leitenden und nicht leitenden Ringsegmenten ist. Dieser Codeträger 2 rotiert
im Betrieb des Multiturn-Drehgebers mit der Eingangswelle 1 relativ
zu einem Gehäuse 7.
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Am
Gehäuse 7 ist
ein erstes Trägerelement 6 fixiert,
wobei das Trägerelement 6 hier
ebenfalls als eine Leiterplatte ausgeführt ist, auf der Leiterbahnen 6.1 angeordnet
sind. Eine erste Gruppe der Leiterbahnen 6.1 ist so konfiguriert,
dass durch diese als Erregerwindungen ein homogenes elektromagnetisches
Feld erzeugt werden kann. Infolge einer Drehbewegung der Eingangswelle 1 und
des damit verbundenen ersten Codeträgers 2 wird eine von
der Winkelstellung abhängige
Modulation des elektromagnetischen Felds erreicht. Diese Veränderungen
des Felds werden von einer zweiten Gruppe (Detektorwindungen) der
Leiterbahnen 6.1 detektiert. Die derart detektierten Signale
enthalten die Information in welcher Winkelstellung sich die Eingangswelle 1 innerhalb
einer Umdrehung befindet.
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Damit
die Winkelstellung über
mehrere Umdrehungen hinweg erfasst werden kann weist der Multiturn-Drehgeber
ein Getriebe 4 auf, wobei das Getriebe 4 von der
Eingangswelle 1 angetrieben wird. Durch die Ermittlung
der Winkelstellung einzelner Zahnräder des Getriebes 4,
wie die des Zahnrads 4.1, kann dann die Winkelstellung
der Eingangswelle 1 über
viele Umdrehungen hinweg bestimmt werden. Dabei wirkt das Getriebe 4 als
Untersetzungsgetriebe, so dass die Drehzahlen der Zahnräder 4.1, 4.2 kleiner
sind als die der Eingangswelle 1.
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Gemäß der 2 weist
das Zahnrad 4.1 des Getriebes 4 eine Winkelcodierung 4.11 auf,
welche zum Zwecke der Bestimmung der Winkelstellung des Zahnrads 4.1 auf
dem Zahnrad 4.1 aufgebracht ist. Der Körper des Zahnrads 4.1 besteht
hier aus einem glasfaser-gefüllten
Epoxy-Material, wie es üblicherweise
für Leiterplatten
verwendet wird. Die Winkelcodierung 4.11 besteht auch hier
aus einer periodischen Abfolge von elektrisch leitenden und nicht
leitenden Ringsegmenten 4.11a, 4.11b, wobei im
vorliegenden Beispiel nur zwei Ringsegmente 4.11a und 4.11b vorgesehen
sind. Das Ringsegment 4.11a wird aus einer Kupferschicht
gebildet, während
im Bereich des Ringsegments 4.11b keine Beschichtung aufgebracht
ist, so dass dort nur das nicht leitende Material des Körpers des
Zahnrads 4.1 vorliegt. Das Ringsegment 4.11b ist
in der 2 durch zwei bogenförmige gestrichelte Linien eingegrenzt.
Diese Darstellung bezieht sich nur auf die Funktion der Winkelcodierung 4.11 und
nicht auf eine etwaige Struktur auf dem Zahnrad 4.1. Ferner
weist das Zahnrad 4.1 einen Absatz 4.12 auf. Eine
mittige Bohrung 4.13 im Zahnrad 4.1 ist zur Aufnahmen
eines Stifts 5 der als Befestigungselement dient vorgesehen.
Die Bohrung 4.13 für
die Aufnahme des Stifts 5 wird hier mit Hilfe gängiger Leiterplattentechnologie,
also Herstellungsverfahren, wie sie üblicherweise bei der Fertigung
von Leiterplatten angewendet werden, mit minimalen Maßabweichungen
relativ zur Winkelcodierung 4.11 vorgenommen. Der Stift 5 ist
im gezeigten Ausführungsbeispiel
ein im Wesentlichen zylindrischer Körper mit einer geometrischen
Achse A.
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Der
Multiturn-Drehgeber weist gemäß der 1 eine
weitere Leiterplatte 3 auf. Diese Leiterplatte 3 ist
ringförmig
ausgestaltet, mit einer zentralen Bohrung, durch welche die Eingangswelle 1 geführt ist.
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In
der 3 ist ein Ausschnitt dieser Leiterplatte 3 gezeigt.
Die Leiterplatte 3 dient als Trägerelement für Erregerwindungen 3.1 sowie
Detektorwindungen 3.2. Sowohl die Erregerwindungen 3.1 als auch
die Detektorwindungen 3.2 sind als Leiterbahnen auf der
Leiterplatte 3 ausgestaltet. Die Erregerwindungen 3.1 und
die Detektorwindungen 3.2 sind durch weitere in der 3 nicht
dargestellte Leiterbahnen mit elektronischen Schaltungen elektrisch verbunden.
Bezüglich
der Erregerwindungen 3.1 und der Detektorwindungen 3.2 mittig
angeordnet, weist die Leiterplatte 3 eine Bohrung 3.3 auf,
deren Durchmesser derart bemessen ist, dass der Stift 5 in
der Bohrung 3.3 reibschlüssig durch eine Presspassung gehalten
werden kann. Die Bohrung 3.3 wird unter Verwendung bekannter
Leiterplattentechnologie zusammen mit den Erreger- und Detektorwindungen 3.1, 3.2,
sowie den übrigen
Leiterbahnen und Durchkontaktierungen hergestellt. Aus diesem Grund
ist die Bohrung 3.3 mit überaus exakter Konzentrizität bezüglich den
Erreger- und Detektorwindungen 3.1, 3.2 positioniert.
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Vor
der Montage des Multiturn-Drehgebers wird in die Bohrung 4.13 des
Zahnrads 4.1 ein Permanentmagnet 8 eingesetzt,
welcher dann axial unverschieblich in der Bohrung 4.13 ruht
(1).
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Auf
den relativ zur Leiterplatte 3 fest stehenden Stift 5,
der hier aus einem ferromagnetischen Material besteht, wird bei
der Montage des Multiturn-Drehgebers
das Zahnrad 4.1 aufgeschoben bis der Absatz 4.12 die
Leiterplatte 3 berührt.
Auf diese Weise ist das Zahnrad 4.1 durch den Stift 5 sowohl radial
fixiert als auch axial gesichert. Dabei kommt die Drehachse des
Zahnrads 4.1 auf der Achse A des Stiftes 5 zu
liegen, bzw. die Achse A des Stiftes 5 durchdringt das
Zahnrad 4.1 auf dessen Drehachse. Dadurch, das die Bohrung 3.3 der
Leiterplatte 3 und die Bohrung 4.13 des Zahnrads 4.1 überaus exakt gesetzt
sind, ist eine hochgenaue Konzentrizität zwischen den Erreger- und
Detektorwindungen 3.1, 3.2 und der Winkelcodierung 4.11 gegeben.
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Damit
sichergestellt ist, dass der gewünschte
Abtastspalt h zwischen der Winkelcodierung 4.11 des Zahnrads 4.1 einerseits
und der Erregerwindungen 3.1 und Detektorwindungen 3.2 andererseits
exakt gleich bleibt, wird durch die magnetischen Anziehungskräfte zwischen
dem Permanentmagneten 8 und dem ferromagnetischen Stift 5 eine
axiale Vorspannung erzeugt. Diese drückt den Absatz 4.12 gegen
die Leiterplatte 3. Alternativ dazu kann auch durch eine
Feder eine entsprechende Vorspannkraft erzeugt werden. Durch den
Absatz 4.12 wird somit formgebunden der minimale Abtastspalt
h definiert.
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Der
Außendurchmesser
des Stifts 5 und der Innendurchmesser der Bohrung 4.13 sind
dabei so gewählt,
dass eine Relativdrehung des Zahnrads 4.1 gegenüber dem
stehenden Stift 5 ohne Radialspiel möglich ist.
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In
den 4a bis 4c sind
weitere Varianten zur Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Bei allen
Varianten wurde anstatt des Permanentmagneten 8 ein Federelement 8', hier ein Zackenring,
zur axialen Vorspannung des Zahnrads 4.1 gegenüber der
Leiterplatte 3 verwendet. Das Federelement 8' stützt sich
dabei an der Mantelfläche
des Stifts 5 unter Einleitung axialer Kräfte ab.
Der Stift 5' kann
hier aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Dadurch kann sichergestellt
werden, dass sich auch bei Temperaturschwankungen die Presspassung
unter dem Einfluss von Vibrationen nicht lockert, weil die Aluminiumlegierung
einen ähnlichen
thermischen Ausdehnungskoeffzienten aufweist wie das Leiterplattenmaterial
(bezogen auf Richtungen in der Ebene der Leiterplatte).
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In
der 4b ist der Stift 5' mit einem Bund 5.12 versehen,
dessen axiales Maß formgebunden gleichzeitig
den minimalen Abtastabstand h definiert: Alternativ dazu weist gemäß der 4c die
Leiterplatte 3 einen Absatz 3.12 auf, durch welchen
ebenfalls formgebunden das Minimum des Abtastabstand h definiert
wird.
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Natürlich kann
der Multiturn-Drehgeber auch so ausgestaltet sein, dass der als
Befestigungselement dienende Stift 5, 5' nicht als separates
Bauteil vorliegt, sondern beispielsweise in das Zahnrad 4.1 oder
in die Leiterplatte 3 integriert ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
ist es nunmehr möglich
mit vergleichsweise wenig Aufwand einen exakten Abtastspalt h zu
gewährleisten. Dabei
muss lediglich die Höhe
des Absatzes 2.12, bzw. des Bundes 5.12 oder des
Absatzes 3.12 der Leiterplatte 3 mit der erforderlichen
Toleranz hergestellt werden.