DE10215997B4

DE10215997B4 - Drehgeber mit selbstzentrierender Spanneinrichtung

Info

Publication number: DE10215997B4
Application number: DE10215997A
Authority: DE
Inventors: Riccardo Battaglino
Original assignee: ELCIS Srl COLLEGNO; ELCIS Srl
Current assignee: Elcis Encoder Srl Collegno It
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2022-04-12
Also published as: ITTO20010365A0; DE10215997A1; ITTO20010365A1

Abstract

Drehgeber mit einer Halterung (2) und einer in der Halterung (2) drehbar gelagerten Geberwelle (8; 73), wobei die Geberwelle (8; 73) eine innere Hohlkehle (10; 90) zur Aufnahme einer Welle (58; 59) eines Drehteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlkehle (10; 90) wenigstens ein Paar entgegengesetzter Kegelringe (18, 20) vorgesehen ist, die zwischen einem an der Geberwelle (8; 73) angeordneten Sicherungsteil (28) und einem beweglichen Element (16; 76) angeordnet sind, das über eine Schraubverbindung in Axialrichtung so verschoben wird, dass die zwischen dem beweglichen Element (16; 76) und dem Sicherungsteil (28) angeordneten Kegelringe (18, 20) in Axialrichtung zusammengedrückt werden und sich in Radialrichtung verformen, um die welle (58; 59) des Drehteils innerhalb der Geberwelle (8; 73) zu spannen.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Drehgeber, der mit einer selbstzentrierenden Spanneinrichtung zur Kupplung mit einer Welle eines Drehteils versehen ist.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen allgemein «Encoder» genannten, optischen Inkremental- oder Absolutdrehgeber, der eine Geberwelle aufweist, auf der eine Optikscheibe aufgepresst ist und die mit einer durchgehenden Hohlkehle oder Welle versehen ist, die zur Aufnahme eines Spannsystems zur Kupplung mit einer Welle eines Drehteils (elektrische Motoren, Drehteile von Bearbeitungsmaschinen) dienen, für den der Drehgeber bestimmt ist.

Zur Befestigung einer Geberwelle an der Welle eines Drehteils gibt es gegenwärtig verschiedene Lösungen.

Um eine gute Kupplung zu erzielen ist jedenfalls eine beträchtliche Bearbeitungsgenauigkeit mit engen Toleranzen zwischen der durchgehenden Hohlkehle oder Welle des Encoders und der Welle des Drehteils erforderlich, was zu höheren Kosten. sowohl für den Geber als auch für den Drehteil führt.

Bei einem ersten Kupplungssystem ist die Anwendung eines oder mehrerer Gewindestifte vorgesehen, die seitlich in der Geberwelle eingeschraubt sind und die Welle festhalten. Dieses System weist jedoch einige Nachteile auf, da die Stifte beim Festspannen die Mantelfläche der Welle des Drehteils beschädigen und bei einem eventuellen Ausspannen zu Problemen führen. Ausserdem sind Zentrieren und Auswuchten der Drehteile mit Schwierigkeiten verbunden.

Bei einem zweiten System ist die Anwendung eines mit der Geberwelle einteilig verbundenen Bundes vorgesehen, der auf die Welle eines Drehteils festgezogen wird. Die Nachteile dieses Systems bestehen in Auswuchtproblemen und in den ziemlich hohen Herstellungskosten.

In der EP 682 229 A1 ein besonderes System zum Festspannen einer Messwelle im Gehäuse eines Gebers beschrieben. Das geschilderte System sieht die Anwendung eines Spannfutters vor, das in der Hohlkehle der Geberwelle angeordnet ist und durch Anziehen einer axial am Spannfutter vorgesehenen Schraube auf die Messwelle gespannt wird.

Obwohl diese Lösung selbstzentrierend ist, sind die Herstellungskosten ziemlich hoch. Um zu vermeiden, dass die Welle des Drehteils während der Montage, d.h. beim Anziehen der das Spannfutter schliessenden Schraube, schlüpft und eine teilweise Drehbewegung ausführt, ist ausserdem in einer Nut des Spannfutters ein Keil vorgesehen, dessen praktische Ausführung schwierig ist.

Aus der DE 40 03 930 A1 ist ein Spannsatz für eine Welle-Nabe-Verbindung bekannt, der eine innere Spannhülse, einen äußeren Spannring und ein dazwischen liegendes ringförmiges Spannelement aufweist, welches ein an einer Spannmutter ausgebildeten Flansch übergreift. Die Spannmutter ist über den Flansch drehbar mit dem Spannelement verbunden. Die Spannhülse besitzt einen Gewindeabschnitt, auf den die Spannmutter aufgeschraubt ist. Wird die Spannmutter weiter auf das Gewinde aufgeschraubt, so schiebt sich das Spannelement in axialer Richtung zwischen die Spannhülse und den Spannring, wodurch die Spannhülse zusammengedrückt und der Spannring aufgeweitet wird. Die Spannhülse, der Spannring sowie das Spannelement besitzen jeweils ein über ihre gesamte Länge durchgehenden Längsschlitz, damit ihr Durchmesser beim Spannvorgang verändert werden kann.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Inkremental- oder Absolutdrehgeber zu schaffen, der sich mit einem sehr zuverlässigen und genauen Spannsystem direkt mit dem Motor oder mit dem Drehteil verbinden lässt.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung zu erzielen, die selbstzentrierend und ausgeglichen, jedoch strukturell sehr einfach und daher kostenmässig günstig herstellbar ist.

Diese und weitere Aufgaben werden mit einem erfindungsgemäss hergestellten und in den beiliegenden Ansprüchen gekennzeichneten Drehgeber gelöst.

Ein erfindungsgemäss hergestellter Drehgeber kann in Verbindung mit der Welle jeglichen Drehteils zur Anwendung kommen, und zwar auch wenn zwischen der Hohlkehle der Encoderwelle und der Welle des Drehteils keine optimale Toleranz besteht.

Die oben erwähnten und weitere der Erfindung zugrundliegende Aufgaben werden nachstehend an Hand einer bevorzugten, in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Drehgebers,
2 eine Draufsicht eines Details des in 1 dargestellten Drehgebers,
3 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Drehgebers,
4 eine Draufsicht eines Details des in 3 dargestellten Drehgebers,
5 eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Drehgebers,
6 eine seitliche Schnittansicht einer vierten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäss hergestellten Drehgebers,
7 und 8 jeweils eine Ansicht von unten und eine Schnittansicht eines Innenkegelringes, der in einem erfindungsgemässen Drehgeber zur Anwendung kommt und
9 und 10 jeweils eine Ansicht von unten und eine Schnittansicht eines Aussenkegeiringes, der in Verbindung mit dem Innenkegelring nach 7 und 8 zur Anwendung kommt.
Der erfindungsgemässe in 1 dargestellte Drehgeber besitzt eine zylinderförmige Halterung 2, die ein Paar Kugellager 4, 6 trägt, in denen eine mit einer Hohlkehle 10 versehene Geberwelle 8 gelagert ist. Durch Einstellen einer auf einem Gewinde 14 aufgeschraubten Nutmutter 12 wird das Axialspiel der Lager 4, 6 beseitigt, wodurch die Lager fest mit der hohlen Geberwelle 8 und der Halterung 2 verbunden sind.
In ihrer Innenseite weist die Geberwelle 8 eine zylinderförmige Hohlkehle 10 auf, in der von oben nach unten der Reihe nach folgende Teile angeordnet sind: ein zylinderförmiger Puffer 16, ein erstes Paar entgegengesetzter Kegelringe 18 und 20, ein zylinderförmiges Abstandsstück 22, ein zweites Paar entgegengesetzter Kegelringe 24 und 26 und eine radiale Seegersicherung 28 für Innenteile, die ein Herausfallen der oben erwähnten Teile verhindert.
Im Oberteil der Hohlkehle 10 der Geberwelle 8 ist eine axiale Gewindebohrung 30 ausgebildet, in der ein Stift 32 mit flacher Spitze eingeschraubt ist.
An der Aussenseite der Geberwelle 8 ist über ein Spaltring 34 (Bauer) eine entsprechend geschlitzte Optikscheibe 36 befestigt, die mit der in der Regel bei derartigen Gebern vorgesehenen elektronischen Schaltung (LED 40, Phototransistor 38 und entsprechende Schaltkreise zur Verarbeitung der Signale) verbunden ist.
Ausserdem weist die Geberwelle 8 in ihrem äusseren Oberteil eine sechswinklig abgeflachte Angriffsstelle 42 für einen Zwölfkantringschlüssel 44 auf.
An ihrer Aussenseite trägt die Halterung 2 einen mit mehreren Schrauben 48 befestigten Deckel 46. Ein Abdichtungs- bzw. O-Ring 50 hält Flüssigkeiten oder Staub davon ab, in das Innere des Gebers einzudringen.
In einer radial verlaufenden Nut der Halterung 2 ist ein kugelförmiger Stift mit Innenfeder 52 eingeschraubt, der eine allgemein für Encoder vorgesehene Tangentialfuge bildet, und zwar mit einem mit dem Bodenstück 56 des am Geber gekuppelten Drehteils 58 (zum Beispiel ein elektrischer Motor) einteilig verbundenen Block 54.
In seinem Oberteil weist der Deckel 46 eine Gewindebohrung 60 auf, in die nach dem Festspannen des Gebers am Drehteil 58 eine mit einem O-Ring 64 versehene Verschlusschraube 62 eingeschraubt wird.
An der rechten Seite des Deckels 46 ist eine Kabelschelle 66 angeschraubt, durch die das die elektrischen Signale führende Kabel heraustreten kann.
2 zeigt in einer Draufsicht den Oberteil der Geberwelle 8, der die sechswinklig abgeflachte Angriffsstelle 42 für den Zwölfkantringschlüssel 44 aufweist und in dessen Innenseite der Stift 32 mit flacher Spitze eingesetzt ist.
Das wichtigste Merkmal der Erfindung ist die besondere Einrichtung mit Kegelringen zur Kupplung der hohlen Geberwelle 8 mit der Welle des Drehteils 58, der zum Beispiel ein elektrischer Motor sein kann.
Wie bereits oben geschildert, sind im Inneren der axialen Hohlkehle 10 der Welle 8 des Drehgebers zwei Paare entgegengesetzter Kegelringe 18, 20 und 24, 26 angeordnet, die durch Anziehen des Stiftes 32 die Welle 58 des Drehteils festhalten.
Das Festspannen erfolgt durch Verformung der beiden Paare entgegengesetzter Kegelringe 18, 20 und 24, 26, die gegen die Seegersicherung 28 für Innenteile gedrückt werden.
In den 7 bis 10 ist das Paar entgegengesetzter Kegelringe 18 und 20 im einzelnen dargestellt, wobei das zweite Paar der Kegelringe 24, 26 genau denselben Aufbau aufweist.
Die Innenringe 18, 24 weisen jeweils eine zylinderförmige Innenfläche und eine kegelförmige Aussenfläche auf, während die Aussenringe 20, 26 jeweils eine kegelförmige Innenfläche zur Kupplung mit der Aussenfläche des Innenringes 18 bzw. 24 und eine zylinderförmige Aussenfläche haben.
Werden die beiden Ringe axial zusammengedrückt, so verformt sich der Innenring 18, 24 und spannt die in der Innenseite angeordnete Welle 58, während sich bei dieser Verformung der Aussenring 20, 26 in der Breite dehnt und an der axialen Hohlkehie 10 der Welle 8 des Drehgebers zur Anlage kommt.
Um die Verformung der beiden Kegelringe zu unterstützen, ist es möglich, jedoch nicht unbedingt notwendig, – wie beim Ausführungsbeispiel nach den 7 bis 10 – im verjüngten Teil der Innenkegelringe 18, 24 axial verlaufende Stossfugen 19 und in den Aussenkegelringen Stossfugen 21 vorzusehen, die den stetigen Verlauf der Ringe 20, 26 unterbrechen. Durch diese Stossfugen wird das Anzugsmoment der Welle 58, 59 innerhalb des Gebers kleiner.
Zum Festspannen sind folgende Vorgänge vorgesehen:

– die Bedienungsperson nimmt den Geber und stülpt ihn auf die Welle 58 des Drehteils und passt dabei auf, dass die Hohlkehle 53 gleichzeitig mit dem bereits am Bodenstück 56 (Tangentialfuge) angeschraubten Block 54 rittlings eingesetzt wird;
– die Bedienungsperson lässt den Geber so lange in Richtung des Bodenstückes 56 gleiten, bis der Scheitel der Welle 58 mit dem zylinderförmigen Puffer 16 in Berührung kommt;
– die Bedienungsperson führt mit der linken Hand einen Zwölfkantringschlüssel 44 in die Bohrung 60 des Deckels 46 ein und bringt den Schlüssel mit dem Sechskant 42 des Oberteils der Geberwelle 8 in Eingriff;
– mit der rechten Hand führt die Bedienungsperson einen Steckschlüssel 68 in den Stift 32 ein;
– die Bedienungsperson dreht den Zwölfkantringschlüssel 44 so lange, bis die Nullraste des Gebers (wenn erforderlich) mit dem mechanischen Nullpunkt des Drehteils 58 deckungsgleich liegt und dann – während sie den Zwölfkantringschlüssel 44 festhält – dreht die Bedienungsperson den Steckschlüssel 68 so lange im Uhrzeigersinn, bis der Stift 32 bis zum Höchstpunkt gezogen ist;
– schliesslich schraubt die Bedienungsperson die mit dem O-Ring 64 versehene Verschlusschraube 62 in die Gewindebohrung 60 des Deckels 46 ein, wodurch der Geber gegen Staub, Öl usw. abgedichtet wird.

Werden die obigen Vorgänge der Reihe nach vorgenommen, so wird der Geber einwandfrei am Drehteil 58 festgespannt und zentriert sein.
In 3 ist eine zweite Ausführungsvariante eines erfindungsgemässen Drehgebers dargestellt. Insbesondere ist der dargestellte Geber mit einem System zur Befestigung an einer durchgehenden rotierenden Welle 59 versehen. Die Geberwelle 73 weist eine durchgehende Hohlkehle 90 auf, in der von oben nach unten der Reihe nach eine in der Geberwelle 73 eingeschraubte Nutmutter 76 (mit zum Eingriff eines Schlüssels 82 geeigneten Aufnahmen 78), ein erstes Paar entgegengesetzter Kegelringe 18, 20, ein Abstandsstück 22, ein zweites Paar entgegengesetzter Kegelringe 24, 26 und eine Seegersicherung 28 für Innenteile angeordnet sind.
Um den eingesetzten Geber an der Welle 59 zu befestigen, wird auf das obere Ende der Geberwelle 73 ein Schlüssel 80 gestülpt, der in die im einzelnen in der Draufsicht von 4 dargestellten Facetten 74 eingeführt wird. Nun wird die Geberwelle mit dem Schlüssel 80 festgehalten, während mit dem Schlüssel 82 die Nutmutter 76 so festgeschraubt wird, dass die beiden Paare der Kegelringe 18, 20 und 24, 26 axial zusammengedrückt werden und dabei die Welle 59 an der Geberwelle 73 spannen.
Die 5 und 6 zeigen dagegen zwei «gekürzte» Ausgaben der an Hand der 1 und 3 beschriebenen und dargestellten Geber.
Insbesondere weist der Geber nach 5 nur ein Paar Kegelringe 18, 20 und ein Abstandsstück 17 auf, das länger ist, um das Fehlen des zweiten Paars Kegelringe auszugleichen. Da nur ein Spannpunkt vorgesehen ist, ist die Klemmwirkung der Geberwelle 8 an der Welle 58 des Drehteils auf die Hälfte herabgesetzt, aber die Herstellungskosten sind niedriger. Der zylinderförmige Puffer 16 und das Abstandsstück 17 können einstückig ausgeführt werden.
Der in 6 dargestellte Geber ist dagegen eine Variante des an Hand der 3 beschriebenen Gebers. Zum Festspannen der Welle 59 an der Geberwelle 73 wird nur ein Paar Kegelringe 18, 20 benutzt und es ist kein Abstandsstück mehr erforderlich. Wie beim Geber nach 3 werden die Kegelringe mit Hilfe der Nutmutter 76 zusammengedrückt. Auch in diesem Fall ist die Klemmwirkung der Geberwelle 73 an der rotierenden Welle 59 auf die Hälfte herabgesetzt, wobei jedoch auch die Herstellungskosten niedriger sind.
Das erfindungsgemässe Spannsystem bietet zahlreiche Vorteile:

– für die Welle des Drehteils besteht überhaupt keine Beschädigungsgefahr;
– einwandfreies Zentrieren der Geberwelle auf die Welle des Drehteils;
– beschränkte Kosten und leichtere Herstellung, da für die handelsüblichen Kegelringe eine grosse Auswahl an Durchmessern zur Verfügung steht;
– für die Welle des Drehteils und für die innere Hohlkehle der Geberwelle sind keine enge Bearbeitungstoleranzen erforderlich, wodurch eine weitere Herabsetzung der Kosten erzielt wird;
– ausgehend von der der Hohlkehle des Gebers gegenüberliegenden Seite ist es für den Benutzer äusserst einfach, die Nullraste des Gebers und den mechanischen Nullpunkt des Drehteils in deckungsgleicher Lage zu bringen.

Claims

Drehgeber mit einer Halterung (2) und einer in der Halterung (2) drehbar gelagerten Geberwelle (8; 73), wobei die Geberwelle (8; 73) eine innere Hohlkehle (10; 90) zur Aufnahme einer Welle (58; 59) eines Drehteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlkehle (10; 90) wenigstens ein Paar entgegengesetzter Kegelringe (18, 20) vorgesehen ist, die zwischen einem an der Geberwelle (8; 73) angeordneten Sicherungsteil (28) und einem beweglichen Element (16; 76) angeordnet sind, das über eine Schraubverbindung in Axialrichtung so verschoben wird, dass die zwischen dem beweglichen Element (16; 76) und dem Sicherungsteil (28) angeordneten Kegelringe (18, 20) in Axialrichtung zusammengedrückt werden und sich in Radialrichtung verformen, um die welle (58; 59) des Drehteils innerhalb der Geberwelle (8; 73) zu spannen.
Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hohlkehle (10; 90) ein zweites Paar entgegengesetzter Kegelringe (24, 26) angeordnet ist, die durch ein hohlzylinderförmiges Abstandsstück (22) vom ersten Paar Kegelringe (18, 20) getrennt sind, wobei dieses Abstandsstück den durch das bewegliche Element (16; 76) ausgeübten Druck auf beide Paare der Kegelringe (18, 20; 24, 26) verteilt.
Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element ein Puffer (16) ist, der durch einen Gewindestift (32) mit flacher Spitze verschoben wird, der in einer in der Geberwelle (8) oberhalb der Hohlkehle (10) vorgesehenen axialen Gewindebohrung (30) eingeschraubt ist.
Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkehle (90) eine durchgehende Hohlkehle ist und dass das bewegliche Element eine im Oberteil der Geberwelle (73) eingeschraubte Nutmutter (76) ist.
Drehgeber nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberteil der Geberwelle (8; 73) mit Facetten (42; 74) zum Eingriff eines Schlüssels (44; 80) versehen ist, der zum Einstellen der Abwinklung und zum Arretieren der Drehung der Geberwelle dient.
Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungsteil (28) eine radiale Seegersicherung für Innenteile ist.
Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Paar Kegelringe einen Innenring (18; 24) mit einer zylinderförmigen Innenfläche und einer kegelförmigen Aussenfläche und einen Aussenring (20; 26) umfasst, der eine kegelförmige Innenfläche zur Kupplung mit der Aussenfläche des Innenringes (18; 24) und eine zylinderförmige Aussenfläche aufweist.
Drehgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, zur Unterstützung der radialen Verformung der Kegelringe die Innenringe (18; 24) eine axial verlaufende Stossfuge (19) aufweisen und die Aussenringe (20; 26) eine axiale Stossfuge (21) aufweisen, die den stetigen Verlauf der Ringe unterbricht.