DE102006036746A1

DE102006036746A1 - Positionsmesseinrichtung und Verfahren zur Montage einer Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102006036746A1
Application number: DE102006036746A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schroter; Thomas Dipl.-Ing. Jäger; Waltraud Aichhorn
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2006-08-05
Filing date: 2006-08-05
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-08-06
Also published as: US20080028629A1; DE102006036746B4; CN101178318B; CN101178318A; US7500320B2

Abstract

Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung einer Positionsmesseinrichtung zum einfachen Montieren an zu messenden Objekten (1, 2). Bei der Montage der Rotor-Einheit (10) einer Winkelmesseinrichtung an das erste zu messende Objekt (1) und der Stator-Einheit (20) an das zweite zu messende Objekt (2) muss der Abtastabstand (A) zwischen dem Abtastelement (21) der Stator-Einheit (20) und der Teilung (12) der Rotor-Einheit (10) exakt eingestellt werden. Hierzu sind Anschlagflächen (13, 22) an der Rotor-Einheit (10) und der Stator-Einheit (20) vorgesehen, die mit Hilfe einer Lehre (30) auf einen durch die Lehre (30) vorgegebenen Abstand (D) gebracht werden. Gemäß der Erfindung erfolgt nun eine Vormontage einer dieser Anschlagflächen (22). Dabei ist ein diese Anschlagfläche (22) aufweisendes Anschlagelement (23) vorgesehen, das an der Stator-Einheit (20) positionierbar verstellbar ist und bei optimaler Einstellung des Abtastabstandes (A) an der Stator-Einheit (20) unverrückbar fixiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage einer Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Positionsmesseinrichtungen werden in Form von Winkel- und Längenmesseinrichtungen in der Werkzeugmaschinenindustrie und in anderen Fertigungs-, Handhabungs- und Prüfsystemen breit eingesetzt. Aus Platzgründen werden oft so genannte modulare Messeinrichtungen eingesetzt, bei denen der Teilungsträger und die Abtasteinrichtung als separate Teile geliefert werden und die exakte Zuordnung dieser beiden Teile erst beim Anbau an die zu messenden Objekte erfolgt. Derart aufgebaute Winkelmesseinrichtungen werden auch als Einbaudrehgeber bezeichnet, die keine eigene Lagerung besitzen.
Bei der Positionsmessung wird die Teilung des Teilungsträgers von zumindest einem Abtastelement der Abtasteinrichtung berührungslos abgetastet und positionsabhängige Abtastsignale gewonnen. Die Größe und die Qualität der Abtastsignale ist abhängig vom Abtastabstand, weshalb es erforderlich ist, den Teilungsträger beim Anbau in einem optimalen Abstand zum Abtastelement der Abtasteinrichtung zu montieren.
Aus der EP 0 353 395 B1 ist eine derartige Positionsmesseinrichtung in Form einer Winkelmesseinrichtung sowie ein derartiges Verfahren zur Montage der Winkelmesseinrichtung bekannt. Um den Anbau an die zu messenden Objekte zu erleichtern, ist die Lagezuordnung zwischen dem Teilungsträger und der Abtasteinrichtung – welche für den Betrieb erforderlich ist – bereits vom Hersteller der Winkelmesseinrichtung durch das Vorsehen von Nuten festgelegt. Diese Nuten dienen zum gegenseitigen Ausrichten des Teilungsträgers und der Abtasteinrichtung mittels eines Ausrichtelementes.
Bei der US 4,794,250 ist das Ausrichtelement ein um die Achse der Winkelmesseinrichtung drehbares Gehäuseteil, das zum Einstellen des Abtastabstandes zwischen einem in Richtung des Abtastabstandes wirkenden Anschlag der Abtasteinrichtung und einem in Richtung des Abtastabstandes wirkenden Anschlag des Teilungsträgers eingebracht wird. Nach erfolgtem Einstellen und Anbau der Bauteile Teilungsträger und Abtasteinrichtung an die zu messenden Objekte wird das Ausrichtelement durch Verdrehen vom Anschlag des Teilungsträgers entfernt.
Nachteilig dabei ist, dass die Lage der Anschläge durch hochgenaue mechanische Bearbeitung vorgegeben werden muss. Bei der Fertigung sind somit sehr enge Toleranzen einzuhalten, was die Herstellung verteuert.
Zur Lösung dieses Problems wurde in der EP 0 973 014 B1 bereits vorgeschlagen, den zur Einstellung des Abtastabstandes erforderlichen Formschluss durch Materialverdrängung an der Abtasteinrichtung bzw. dem Teilungsträger herzustellen. Nachteilig dabei ist, dass das Material speziell dafür ausgelegt sein muss.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Positionsmesseinrichtung anzugeben, bei der der optimale Abtastabstand auf einfache Weise festlegbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Diese Positionsmesseinrichtung dient zum Messen der Relativlage eines ersten Objektes gegenüber einem zweiten Objekt und weist eine am ersten Objekt befestigbare erste Einheit mit einem eine Teilung aufweisenden Teilungsträger sowie eine am zweiten Objekt befestigbare zweite Einheit mit einem Abtastelement zur Abtastung der Teilung des Teilungsträgers in einem vorgegebenen Abtastabstand auf. Ein Ausrichtelement ist vorgesehen, das zwischen eine Anschlagfläche der ersten Einheit und eine Anschlagfläche der zweiten Einheit bringbar ist, wodurch die Lagebeziehung zwischen dem Abtastelement und dem Teilungsträger in Richtung des Abtastabstandes zur Montage an die zu messenden Objekte festgelegt ist. Die Anschlagfläche der ersten Einheit wird von einem Anschlagelement gebildet ist, das an der ersten Einheit in Richtung des Abtastabstandes positionierbar gelagert ist und nach erfolgter Positionierung daran fixierbar ist. Alternativ wird die Anschlagfläche der zweiten Einheit von einem Anschlagelement gebildet, das an der zweiten Einheit in Richtung des Abtastabstandes positionierbar gelagert ist und nach erfolgter Positionierung daran fixierbar ist. Der Abtastabstand verläuft dabei in einer Richtung senkrecht zur Messrichtung der Positionsmesseinrichtung bzw. in Normalenrichtung der Teilungsoberfläche.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung liegt darin, dass der optimale Abtastabstand bei der Herstellung der Positionsmesseinrichtung auf einfache Weise individuell vorgegeben werden kann.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Montage einer Positionsmesseinrichtung anzugeben, das eine einfache und exakte Einstellung des Abtastabstandes ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Um eine erste Einheit der Positionsmesseinrichtung bei der Montage an einem ersten zu messenden Objekt in einem optimalen Abtastabstand zu einer zweiten Einheit der Positionsmesseinrichtung einstellen zu können, ist vor der eigentlichen Montage eine Vormontage vorgesehen. Dabei wird vor dem Befestigen der ersten Einheit und der zweiten Einheit ein Anschlagelement mit einer Anschlagfläche in Richtung des Abtastabstandes an der entsprechenden Einheit bei optimal eingestelltem Abtastabstand positioniert und daran fixiert. Danach erfolgt das Befestigen der ersten Einheit der Positionsmesseinrichtung an dem ersten Objekt und das Befestigen der zweiten Einheit der Positionsmesseinrichtung, die relativ zur ersten Einheit bewegbar ist, an dem zweiten Objekt, wobei durch Anlegen einer Lehre an eine Anschlagfläche der ersten Einheit sowie an eine Anschlagfläche der zweiten Einheit der erforderliche Abtastabstand zwischen einem Abtastelement der zweiten Einheit und der Teilung des ersten Objektes eingestellt wird.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Winkelmesseinrichtung während der Vormontage eines Anschlagelementes mittels eines Ausrichtelementes;
2 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus 1;
3 eine Ansicht des Anschlagelementes;
4 eine Ansicht des Ausrichtelementes und
5 die Winkelmesseinrichtung während des Anbaus an die zu messenden Objekte.
Anhand der Figuren wird die Erfindung am Beispiel einer Winkelmesseinrichtung erläutert. Die Erfindung ist aber auch bei Längenmesseinrichtungen zur Einstellung des Abtastabstandes eines linearen Teilungsträgers relativ zu einem Abtastelement einer Abtasteinrichtung anwendbar.
In 1 ist die Vormontage der Winkelmesseinrichtung dargestellt. Die Winkelmesseinrichtung besteht dabei aus zwei zur Winkelmessung relativ zueinander drehbaren Einheiten 10, 20, nämlich der Rotor-Einheit 10 und der Stator-Einheit 20. Die Rotor-Einheit 10 beinhaltet eine Welle 14 mit einem eine Teilung 12 aufweisenden Teilungsträger 11. Die Stator-Einheit 20 beinhaltet ein Gehäuse 24 und einem daran befestigten Abtastelement 21.
Mit der Vormontage wird dem Anwender eine optimal positionierte Anschlagfläche 22 der Stator-Einheit 20 zur Verfügung gestellt. Hierzu ist am Gehäuse 24 ein hülsenförmiges Anschlagelement 23 mit einer in Richtung des Abtastabstandes A wirkenden Anschlagfläche 22 in Richtung des Abtastabstandes A – also axial – positionierbar gelagert.
Mittels einer nicht dargestellten Vorrichtung werden die beiden Einheiten 10, 20 unter Zuhilfenahme der Abtastsignale des Abtastelementes 21 zueinander justiert, wobei sich ein individueller optimaler Abtastabstand A einstellt. Um dem Anwender die Überführung dieser optimalen Zuordnung zwischen Teilungsträger 11 und Abtastelement 21 beim Anbau an die zu messenden Objekte zu ermöglichen, wird die Anschlagfläche 22 des Anschlagelementes 23 in diesem justierten Zustand in einen bestimmten Abstand D zu einer axial wirkenden Anschlagfläche 13 der Rotor-Einheit 10 gebracht und fixiert. Dieser Abstand D muss nicht mit dem Abtastabstand A übereinstimmen. Es muss nur gewährleistet sein, dass der Abstand D so groß ist, dass im Messbetrieb eine Relativdrehung zwischen Rotor-Einheit 10 und Stator-Einheit 20 nicht behindert wird und dass dieser Abstand D beim Anbau der Rotor-Einheit 10 an das erste Objekt 1 und der Stator-Einheit 20 an das zweite Objekt 2 wiederholbar mit einer Lehre 30 einstellbar ist.
Die Anschlagfläche 22 der zweiten Einheit 20 wird also von dem Anschlagelement 23 gebildet und die Anschlagfläche 13 der ersten Einheit 10 von einer der Welle 14 fest zugeordneten Scheibe 15. Die beiden Anschlagflächen 13, 22 stehen einander in Richtung des Abstandes D beabstandet gegenüber.
Die Positionierung des Anschlagelementes 23 im optimal eingestellten Zustand des Abtastabstandes A erfolgt durch axiales Verschieben des hülsenförmigen Anschlagelementes 23 in einer Bohrung 25 des Gehäuses 24. Dabei wird ein Ausrichtelement 30 zwischen den beiden Anschlagflächen 13 und 22 eingebracht und in diesem Zustand das Anschlagelement 23 mit dem Gehäuse starr verbunden, beispielsweise durch Kleben.
Eine Draufsicht des hülsenförmigen Anschlagelementes ist in 3 dargestellt, wobei in 4 eine Draufsicht des Ausrichtelementes 30 zeigt. Um den Abstand D möglichst an direkt gegenüberliegenden Anschlagflächen 13, 22 auf kürzestem Weg einstellen zu können und das Ausrichtelement 30 für den Anwender handhabbar auszugestalten, ist dieses hülsen- oder stangenförmig ausgebildet, so dass es durch das hülsenförmige Anschlagelement 23 axial hindurchführbar und auf die Anschlagfläche 13 aufsetzbar ist. Bei diesem Einführen dient die Innenfläche des Anschlagelementes 23 als Längsführung 232 für das Ausrichtelement 30, um ein Verkanten zu vermeiden. Das Ausrichtelement 30 weist an seinem unteren Ende radial nach außen weisende Vorsprünge 301 mit der geforderten axialen Dicke D entsprechend dem Abstand der Anschlagflächen 13, 22 auf. Das Anschlagelement 23 weist dazu korrespondierende axial verlaufende Aussparungen 231 auf, um das Einführen in einer ersten Winkelstellung zwischen dem Anschlagelement 23 und dem Ausrichtelement 30 zu ermöglichen. In dieser ersten Winkelstellung befinden sich die Vorsprünge 301 in den Aussparungen 231. Kontaktiert das Ausrichtelement 30 die Anschlagfläche 13, wird das Ausrichtelement 30 um die Achse R in eine zweite Winkelstellung gedreht, in der die Vorsprünge 301 zwischen der Anschlagfläche 22 des Anschlagelementes 23 und der Anschlagfläche 13 der Rotor-Einheit 10 zu liegen kommen. In dieser Stellung werden die axial wirkenden Anschlagflächen 13 und 22 mit axial wirkenden Anschlagflächen 302 und 303 des Ausrichtelementes 30 in Kontakt gebracht und in dieser Stellung sowie in der optimal eingestellten Lage des Abtastabstandes A das Anschlagelement 23 an dem Gehäuse 24 der Stator-Einheit 20 starr durch Kleben fixiert.
In nicht dargestellter Weise kann auch alternativ die Anschlagfläche 13 der Rotor-Einheit 10 als positionierbares Anschlagelement ausgebildet sein.
Nach dieser vom Hersteller der Winkelmesseinrichtung vorgenommenen für jede einzelne Winkelmesseinrichtung individuell abgestimmte Einstellung des Abtastabstandes A durch Positionierung der Anschlagflächen 13, 22 zueinander steht dem Anwender eine anbaubare Winkelmesseinrichtung zur Verfügung. Um bei dem Anbau der Rotor-Einheit 10 an das erste Objekt 1 und der Stator-Einheit 20 an das zweite Objekt 2 den individuellen abgestimmten Abtastabstand A wieder herzustellen, ist es nur erforderlich, beim Anbau die beiden Anschlagflächen 13, 22 im Abstand D anzuordnen. Hierzu kann beim Anbau das Ausrichtelement 30 als Lehre verwendet werden, wie in 5 dargestellt ist, oder eine andere Lehre, die den Abstand D vorgibt.
Im Beispiel gemäß 5 ist das Objekt 1 eine Motorwelle, das zweite Objekt 2 ein Motorgehäuse, in dem die Motorwelle 1 drehbar gelagert ist. Der drehfeste Anbau der zweiten Einheit 20 an das Motorgehäuse 2 erfolgt durch radiales Klemmen des Gehäuses 24 innerhalb eines Tubus des Motorgehäuses 2 und der drehfeste Anbau der ersten Einheit 10 an die Motorwelle 1 durch die axiale Verbindung mittels einer Schraube 40.
Bei dem beschriebenen Beispiel erfolgt die Abtastung der Teilung 12 nach dem induktiven Prinzip, dabei ist das Abtastelement 21 als Platine ausgeführt, auf dessen Oberfläche Erreger- und Sensorwicklungen aufgebracht sind. Der Teilungsträger 11 besteht aus nicht leitendem Material und auf ei ner Oberfläche ist eine inkrementale Teilung 12 aus voneinander beabstandeten elektrisch leitenden Bereichen aufgebracht.
Anstelle der Platine können auch andere induktive oder aber auch magnetfeldempfindliche, kapazitive oder lichtempfindliche Abtastelemente verwendet werden, wobei dann die Teilung entsprechend dem gewünschten Abtastprinzip auszuführen ist. Bei lichtelektrischen Positionsmesseinrichtungen kann das Abtastelement auch nur eine an sich bekannte Abtastplatte (Schlitzblende) oder ein Halbleitersubstrat mit mehreren lichtempfindlichen Bereichen sein.

Claims

Positionsmesseinrichtung zum Messen der Relativlage eines ersten Objektes (1) gegenüber einem zweiten Objekt (2), mit – einer am ersten Objekt (1) befestigbaren ersten Einheit (10) mit einem Teilungsträger (11); – einer am zweiten Objekt (2) befestigbaren zweiten Einheit (20) mit einem Abtastelement (21) zur Abtastung einer Teilung (12) des Teilungsträgers (11) in einem vorgegebenen Abtastabstand (A); – einem Ausrichtelement (30), das zwischen eine Anschlagfläche (13) der ersten Einheit (10) und eine Anschlagfläche (22) der zweiten Einheit (20) bringbar ist, wodurch die Lagebeziehung zwischen dem Abtastelement (21) und dem Teilungsträger (11) in Richtung des Abtastabstandes (A) zur Montage an die zu messenden Objekte (1, 2) festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anschlagfläche (13) der ersten Einheit (10) oder die Anschlagfläche (22) der zweiten Einheit (20) von einem Anschlagelement (23) gebildet ist, das an der entsprechenden Einheit (10, 20) in Richtung des Abtastabstandes (A) positionierbar gelagert ist und nach erfolgter Positionierung daran fixierbar ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (23) der zweiten Einheit (20) an einer Führungsfläche (241) der zweiten Einheit (20) in Richtung des Abtastabstandes (A) verschiebbar gelagert ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfläche (241) die Wandung einer Öffnung (25) in einem Gehäuse (24) der zweiten Einheit (20) ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagelement (23) nach erfolgter Positionierung an die Führungsfläche (241) geklebt ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einheit (20) eine in Richtung des Abtastabstandes (A) verlaufende Führung (232) aufweist, an der das Ausrichtelement (30) in Richtung der Anschlagfläche (13) der ersten Einheit (10) geführt bringbar ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtelement (30) und die Führung (232) derart ausgestaltet sind, dass die Führung (232) das Ausrichtelement (30) in einer ersten Winkelstellung arretiert bis es die Anschlagfläche (13) der ersten Einheit (10) kontaktiert und das Ausrichtelement (23) dann in eine zweite Winkelstellung bringbar ist, bei der es zusätzlich die von der Anschlagfläche (13) der ersten Einheit (10) beabstandete Anschlagfläche (22) der zweiten Einheit (20) kontaktiert.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung (232) eine in Richtung des Abtastabstandes (A) verlaufende Öffnung des Anschlagelementes (23) ist.
Verfahren zur Montage einer Positionsmesseinrichtung zum Messen der Relativlage eines ersten Objektes (1) gegenüber einem zweiten Objekt (2) mit einer relativ zu einer ersten Einheit (10) der Positionsmesseinrichtung bewegbaren zweiten Einheit (20) der Positionsmesseinrichtung, wobei: die erste Einheit (10) der Positionsmesseinrichtung an dem ersten Objekt (1) befestigbar ist; die zweite Einheit (20) der Positionsmesseinrichtung an dem zweiten Objekt (2) befestigbar ist, wobei durch Anlegen einer Lehre (30) an eine Anschlagfläche (13) der ersten Einheit (10) sowie an eine Anschlagfläche (22) der zweiten Einheit (20) der erforderliche Abtastabstand (A) zwischen einem Abtastelement (21) der zweiten Einheit (20) und einer Teilung (12) der zweiten Einheit (20) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Befestigen der ersten Einheit (10) und der zweiten Einheit (20) eine der Anschlagflächen (13, 22) in Richtung des Abtastabstandes (A) an der entsprechenden Einheit (10, 20) bei optimal eingestelltem Abtastabstand (A) positioniert und daran fixiert wird.