DE19936681A1 - Trommelförmige Maßverkörperung - Google Patents

Abstract

Zur stoffschlüssigen Befestigung eines Ringes (4) an der Umfangsfläche (1.1) eines trommelförmigen Grundkörpers (1) wird erfindungsgemäß das Löten eingesetzt. Durch Löten wird eine stabile Maßverkörperung eines Winkelmeßsystems für hohe Umdrehungszahlen geschaffen (Figur 2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Maßverkörperung mit einer magnetischen Teilung, die zur Erzeugung von positionsabhängigen Abtastsignalen von einem ma­ gnetfeldempfindlichen Detektor abtastbar ist.

Eine derartige Maßverkörperung, bestehend aus einem Grundkörper und aus einem darauf befestigten Teilungsträger mit einer Teilung, wird bei einer Positionsmeßeinrichtung zum Messen der Relativlage oder der Relativge­ schwindigkeit zweier zueinander beweglicher Objekte eingesetzt.

Die Erfindung betrifft auch eine Positionsmeßeinrichtung, in der eine derar­ tige Maßverkörperung verwendet wird.

Die gebräuchlichste Art der Befestigung eines Teilungsträgers an einem Grundkörper ist Kleben. In der EP 0 624 780 B1 und der US 5,325,055 wer­ den die Nachteile des Klebens angeführt und Maßnahmen angegeben, um eine stabilere Befestigung zu erreichen. Gemäß der EP 0 624 780 B1 wird der Teilungsträger partiell mit dem Grundkörper verschweißt. Das Schwei­ ßen hat den Nachteil, daß auf den Teilungsträger sehr hohe Temperaturen einwirken, da bei einer Schweißverbindung Material des Teilungsträgers über seine gesamte Dicke zum Schmelzen gebracht werden muß. Da ein derartiges Schmelzen den Bereich der Teilung nachteilig beeinflussen kann, muß das Schweißen auf Bereiche außerhalb der Teilung beschränkt wer­ den. Generell ist mit dem Schweißen nur eine punkt- oder linienförmige Ver­ bindung relativ einfach realisierbar.

Die US 5,325,055 betrifft die Befestigung eines Magnetrings aus magneti­ sierbarem Material am Außenumfang einer Trommel. Es wurde erkannt, daß beim Kleben der Ring nicht fest genug sitzt. Zur Behebung dieses Nachteils wird vorgeschlagen, den Magnetring mit einem Verstärkungsring zu verse­ hen. Dieser Verstärkungsring soll auch ein partielles Ablösen oder eine Zer­ störung des Rings bei hohen Umdrehungszahlen verhindern.

Gemäß der JP 2-130418 A wird ein Magnetring aus magnetisierbarem Mate­ rial auf den Umfang einer Trommel durch Wärmebehandlung aufge­ schrumpft. Ein Ablösen des Rings bei hohen Umdrehungszahlen wird da­ durch nicht verhindert.

Bei der EP 0 723 136 A1 ist auf einer Mantelfläche eines trommelförmigen Rotors ein Band aus magnetischem Werkstoff schraubelinienförmig aufge­ wickelt.

Aus der JP 63-40813 A ist ebenfalls ein ringförmiger Teilungsträger aus ma­ gnetisierbarem Material bekannt. Das magnetisierbare Material ist ein kunst­ stoffgebundener Magnetwerkstoff, der am Außenumfang einer Trommel auf­ gebracht ist. Nach dem Aufbringen erfolgt die Magnetisierung. Damit sich das Kunststoffmaterial nicht von der Trommel ablösen soll, ist am Umfang der Trommel eine T-Nut oder eine schwalbenschwanzförmige Nut zur form­ schlüssigen Verbindung vorgesehen. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Maßnahme nicht ausreicht, um ein Ablösen des relativ elastischen Kunst­ stoffmaterials zu verhindern.

Zur Messung von linearen Verlagerungen eines magnetischen Kernele­ mentes gegenüber einer Spulenanordnung wird bei der DE 198 06 917 A1 das Kernelement durch Löten an einer Stange befestigt.

Gemäß der JP 60-323 A wird bei einer Längenmeßeinrichtung ein magneti­ scher Draht in einer Nut eines linearen Trägerkörpers durch Löten befestigt.

Bei der DE 41 33 709 A1 sind am Außenumfang eines Rades einzelne von­ einander beabstandete Impulsgeberprofile aufgelötet. Zur inkrementalen Positionsmessung ist zur Erzeugung jedes Impulses ein separates Element in Form eines Drahtstückes am Außenumfang auszurichten und zu befesti­ gen.

In der US 5,708,216 ist ein Meßsystem zur Messung des Drehmomentes einer Welle beschrieben. Am Umfang der Welle ist ein Ring durch Löten befestigt. Zur Geschwindigkeitsmessung ist eine danebenliegende gezahnte Scheibe vorgesehen. Diese Scheibe ist für hohe Umdrehungszahlen nicht geeignet, da sie nur über den Ring an der Welle befestigt ist und da die Zähne ein unruhiges und lautes Laufverhalten verursachen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßverkörperung und eine Positionsmeßeinrichtung mit einer derartigen Maßverkörperung zu schaffen, bei der der Teilungsträger stabil mit dem Grundkörper verbunden ist und bei der Verbindung der die Teilung tragende Bereich des Teilungsträgers nicht nachteilig beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 12 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß der Teilungsträger auf einfache Weise fest mit dem Grundkörper verbunden werden kann. Besonders vor­ teilhaft ist die Erfindung zur Befestigung eines band- oder ringförmigen ma­ gnetisierbaren Teilungsträgers am Außenumfang einer Trommel für sehr hohe Umdrehungszahlen einsetzbar. Durch die Erfindung wird erreicht, daß sich der Teilungsträger auch bei hohen Umdrehungszahlen nicht vom Grundkörper ablöst.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a bis 1c Herstellungsschritte einer ersten Maß verkör­ perung,

Fig. 2 eine gemäß Fig. 1a bis 1c hergestellte erste Maßverkörperung,

Fig. 3a und 3b Herstellungsschritte einer zweiten trommelför­ migen Maßverkörperung,

Fig. 4 einen besonders ausgestalteten Grundkörper einer dritten Maßverkörperung,

Fig. 5 eine vierte Maßverkörperung und

Fig. 6 eine Winkelmeßeinrichtung mit einer Maßver­ körperung gemäß Fig. 2.

Die Erfindung wird anhand einer trommelförmigen Maßverkörperung näher erläutert, die bei schnellaufenden Spindeln in Werkzeugmaschinen zur Messung der Winkelstellung oder der Geschwindigkeit der Spindel einge­ setzt wird.

In den Fig. 1a bis 1c sind die wichtigsten Verfahrensschritte zur Herstel­ lung der in Fig. 2 dargestellten Maßverkörperung gezeigt. Ein trommelför­ miger Grundkörper 1 ist mit einer in Umfangsrichtung X verlaufenden Fase 2 oder einer Nut zur Aufnahme eines Lots 3 vorgesehen. Das Lot 3 kann in Form eines Rings vorliegen. Ein vorgefertigter ringförmiger Teilungsträger 4 aus magnetisierbarem Material wird auf den Grundkörper 1 aufgelötet, in­ dem das Lot 3 zum Schmelzen gebracht wird und die beiden Teile 1 und 4 dabei gegeneinander axial (in Z-Richtung) verschoben werden. Während des Aufschiebens des Rings 4 auf den Außenumfang 1.1 des Grundkörpers 1 wird die innere Umfangsfläche 4.1 des Rings 4 und die äußere Umfangs­ fläche 1.1 des Grundkörpers 1 gut mit dem flüssigen Lot 3 benetzt, wie in Fig. 1b schematisch dargestellt ist.

Unter Löten versteht man das stoffschlüssige Verbinden erwärmter, im fe­ sten Zustand verbleibender Materialien durch schmelzende Werkstoffe, Lote genannt.

Das Schmelzen des Lots 3 erfolgt beispielsweise in einem Heizofen 5, in­ dem der Grundkörper 1 mit dem Lot 3 und dem Ring 4 gemeinsam erwärmt werden, bis das Lot 3 flüssig wird und den Zwischenraum zwischen Grund­ körper 1 und Ring 4 auffüllt.

Nach Erkalten des Lots 3 erfolgt das Aufbringen einer Teilung 6 auf den Au­ ßenumfang des Rings 4. Hierzu ist ein Schreibkopf 7 vorgesehen, der in be­ kannter Weise das magnetisierbare Material 4 in Umfangsrichtung abwech­ selnd N, S magnetisiert.

Zur Lotaufnahme ist in Fig. 1a am Grundkörper 1 eine Fase 2 angebracht. Eine derartige Fase oder Nut kann alternativ oder zusätzlich am Ring 4 vor­ gesehen sein. Die Fase 2 bzw. Nut am Grundkörper 1 und/oder am Ring 4 ist eine Tasche zur Aufnahme von Lot 3, wobei zum Schmelzen gebrachtes Lot 3 von der Tasche in den Spalt zwischen Grundkörper 1 und Ring 4 flie­ ßen kann. Die Tasche 2 dient somit als Lotreservoir.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt somit das Aufschieben (Zu­ sammenfügen) des Rings 4 nach oder während dem Erschmelzen des Lots 3.

Alternativ dazu kann der Ring 4 vor dem Erschmelzen des Lots aufgescho­ ben werden. Ein Beispiel hierzu ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt. In diesem Fall wird zuerst auf den Umfang der Trommel 1 das Lot 3 aufge­ bracht, beispielsweise als Folie am Außenumfang 1.1 aufgewickelt oder als Paste aufgebracht. Danach wird der Ring 4 aus magnetisierbarem Material aufgeschoben und in dieser zusammengefügten bzw. montierten Stellung erfolgt das Erschmelzen des Lots 3 in einem Heizofen 5.

In nicht dargestellter Weise kann der Ring 4 in einem ersten Schritt auf die Trommel 1 aufgeschoben werden, wobei zwischen der Außenfläche 1.1 der Trommel 1 und der Innenfläche 4.1 des Rings 4 ein Spalt zur Lotaufnahme verbleibt. Erst nach diesem Zusammenfügen erfolgt das Einbringen des Lots 3 in den Spalt. Aufgrund der Kapillarwirkung ist auch hier eine relativ gute Benetzung beider Verbindungsflächen 1.1 und 4.1 mit dem Lot 3 gewährlei­ stet.

In allen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn an der Umfangsfläche 1.1 der Trommel 1 und/oder der Innenfläche 4.1 des Ringes 4 Riefen bzw. Nuten 8 zur Lotführung und Lotaufnahme vorgesehen sind. In Fig. 4 sind beispiels­ weise spiralförmige Nuten 11 dargestellt. In diese Nuten 11 kann das Lot 3 vor dem eigentlichen Lötvorgang - ähnlich Fig. 3b - eingebracht werden oder die Nuten 11 können dazu dienen, das von außen zugeführte er­ schmolzene Lot 3 aufzunehmen und möglichst gleichförmig zu verteilen. Die Riefen bzw. Nuten 8 können auch ausschließlich in Achsrichtung Z verlau­ fen.

Der Ring 4 aus einer Dauermagnetlegierung kann ein vorgefertigter Form­ körper sein, dessen Profil durch Heiß- oder Kaltverformung geschaffen wurde.

Der Ring 4 kann aber auch aus einem kaltverformbaren Dauermagnetwerk­ stoff in Bandform geschaffen sein, indem ein Band zu dem Ring 4 gebogen wird und die Enden am Stoß zusammengeschweißt werden. Ein derartig vorgefertigter Ring 4 ist in Fig. 5 dargestellt. Durch das Schweißen entsteht ein Wulst 13.1 an der Schweißverbindung 13. Diese Wulst 13.1 kann durch Fräs- oder Schleifbearbeitung verringert oder entfernt werden. Damit die Wulst 13.1 bzw. die nach der Fräs- oder Schleifbearbeitung noch verblie­ bene Wulst 13.1 keine Unrundheit der äußeren Umfangsfläche des auf den Grundkörper 1 aufgezogenen Ringes 4 verursacht, ist in der Umfangsfläche 1.1 des Grundkörpers 1 eine Vertiefung 12 zur Aufnahme dieser Wulst 13.1 eingebracht. Gemäß Fig. 5 verläuft die Schweißnaht 13 und somit die Wulst 13.1 und die Vertiefung 12 in Achsrichtung Z. Durch das spaltfreie Stoßen und anschließende Schweißen des Bandes entsteht der homogene Ring 4.

Durch die Erfindung ist eine großflächige Verbindung zwischen dem trom­ melförmigen Grundkörper 1 und dem Ring 4 auf einfache Weise möglich. Diese großflächige Verbindung gewährleistet eine Eignung für hohe Umdre­ hungszahlen. Das magnetisierbare Material 4 geht eine innige Verbindung mit dem Grundkörper 1 ein, so daß es sich weder in seiner Gesamtheit noch partiell ablösen kann.

Zur Optimierung der Verbindung sind die Materialien des Grundkörpers 1, des Lots 3 und des Ringes 4 vorteilhafterweise so aufeinander abgestimmt, daß an den beiden Grenzflächen 1.1, 4.1 nicht nur eine innige mechanische Verbindung (Oberflächenbindung), sondern auch eine Verbindung durch Diffusion bzw. Legierungsbildung entsteht. Diffusion bedeutet dabei, daß eine oder mehrere Stoffkomponenten des Lots 3 in die zu verbindenden Teile 1 und 4 eindiffundiert.

Der Ring 4 besteht aus einer Dauermagnetlegierung, beispielsweise auf der Basis von Chrom, Kobalt und Eisen. Dieses Material wird auch als CROVAC bezeichnet. Der Grundkörper 1 besteht aus nichtrostendem Stahl. Das Lot besteht aus einer Stoffkombination Silber, Kupfer und weiteren Bestandtei­ len, wie Cadmium und/oder Nickel und/oder Zink und/oder Silber und/oder Mangan und/oder Zinn. Anstelle der Lote auf Silber-Kupfer-Basis können auch Lote auf Nickel- oder Cobalt- oder Kupfer- oder Gold- Basis eingesetzt werden.

Für besonders hohe Umdrehungszahlen eignet sich ein Grundkörper 1 aus Titan oder ein Grundkörper 1, der zumindest weitgehend aus der Stoffkom­ ponente Titan besteht. Dabei sollte das Lot 3 die Stoffkomponente Kupfer enthalten, damit das Lot 3 mit dem Titan des Grundkörpers 1 eine innige Verbindung durch Diffusion bzw. Legierungsbildung eingeht.

Die Lötung kann unter Schutzgas, Prozeßgas, im Vakuum oder in normaler Atmosphäre durchgeführt werden. Desweiteren sind alle bekannten Heiz­ verfahren anwendbar. Das Lot kann in Pulverform, als Paste, als Formmate­ rial, beispielsweise als Ring oder als Folie eingesetzt werden.

Zusammengefaßt hat die erfindungsgemäße Maßnahme folgende Vorteile: Erzielung hoher mechanischer Festigkeit der gesamten Maßverkörperung, deshalb für sehr hohe Umdrehungszahlen von über 20000 Umdrehungen pro Minute geeignet, die an schnellaufenden Spindeln in Werkzeugmaschinen auftreten. Daraus resultierend auch geringe Formänderungen bei mechani­ scher Beanspruchung. Hohe Resistenz gegenüber chemischen Angriffen, z. B. durch Lösungsmittel. Große thermische Belastbarkeit. Fertigung der Teile mit relativ großen Fertigungstoleranzen möglich.

Das magnetische Muster 6 kann eine einspurige oder mehrspurige in Um­ fangsrichtung X verlaufende inkrementale Teilung oder eine einspurige oder mehrspurige in Umfangsrichtung X verlaufende absolute Codeteilung sein.

In Fig. 6 ist eine besonders vorteilhafte Verwendung einer gemäß der Er­ findung hergestellten Maßverkörperung dargestellt. Die Maßverkörperung mit dem Grundkörper 1 und dem aufgelöteten Ring 4 mit der magnetischen Teilung 6 ist mit einer Welle 8 verbunden, die wiederum in einem Stator 9 drehbar gelagert ist. Am Stator 9 ist eine an sich bekannte magnetfeldemp­ findliche Abtasteinheit 10 befestigt, welche die magnetische Teilung 6 abta­ stet und elektrische positionsabhängige Abtastsignale erzeugt.

Die Welle 8 kann auch direkt die Spindel einer Werkzeugmaschine sein.

Der Teilungsträger 4 kann dabei eine Dauermagnetlegierung aus Al Ni Co sein oder auf der Basis Kobalt, Eisen und Vanadin bestehen. Weiterhin kön­ nen auch Seltenerd-Dauermagnetlegierungen und keramische Hartmagnete wie Ne Fe B oder Sm Co eingesetzt werden.

Um eine besonders stabile Verbindung zu erhalten, sollte das Hartlötverfah­ ren eingesetzt werden. Gegenüber dem Weichlöten wird ein höherschmel­ zendes Lot - beispielsweise hoch silberhaltig - eingesetzt. Durch diese Maßnahme wird die mögliche Betriebstemperatur der Maßverkörperung er­ höht. Desweiteren wird die beim Löten erreichte Zugfestigkeit noch weiter verbessert.

Um die magnetischen Eigenschaften zu optimieren, ist es bekannt, daß das magnetische Material 4 einer Wärmebehandlung im Magnetfeld zu unterzie­ hen ist. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß diese Be­ handlung während des Lötvorgangs erfolgen kann. Während des Lötens, also während der Wärmebehandlung wird das magnetische Material 4 einem Magnetfeld mit gewünschter Richtung ausgesetzt. Bei dem Ring 4 der trommelförmigen Maßverkörperung sollte das Magnetfeld in Umfangsrich­ tung (Meßrichtung X) wirken, so daß sich die Elementarmagnete des ma­ gnetischen Materials 4 in Umfangsrichtung, also in Meßrichtung orientieren. Das hierzu erforderliche äußere Magnetfeld kann durch Permanentmagnete oder durch Spulen erzeugt werden. Während des Lötens lassen sich somit anisotrope Eigenschaften des magnetischen Materials 4 einstellen. Alterna­ tiv kann das äußere Magnetfeld auch senkrecht zur Meßrichtung X angelegt werden, so daß sich die Elementarmagnete senkrecht zur Meßrichtung X ausrichten.

Claims (12)

1. Maßverkörperung mit

• - einem trommelförmigen Grundkörper (1), auf dessen Außenumfang (1.1) ein vorgefertigter Ring (4) aus einem magnetischen Werkstoff mit seinem inneren Oberflächenbereich (4.1) durch Löten befestigt ist, indem zwischen dem Grundkörper (1) und dem Ring (4) ein Lot (3) eingebracht ist, das den Ring (4) mit dem Grundkörper (1) flächig verbindet,
• - einem in Umfangsrichtung des Ringes (4) hintereinander angeord­ neten Magnetmuster (6) mit abschnittsweise unterschiedlicher Ma­ gnetisierung auf einer dem gelöteten Oberflächenbereich (4.1) ge­ genüberliegenden kreisrunden Umfangsfläche des Ringes (4).

2. Maßverkörperung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgefertigte Ring (4) durch Biegen und anschließendem Zusammen­ schweißen eines bandförmigen Materials aus einer verformbaren Dau­ ermagnetlegierung gebildet ist.

3. Maßverkörperung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang (1.1) des Grundkörpers (1) eine Rille (12) eingebracht ist, in der eine Wulst (13.1) der Schweißverbindung (13) des Ringes (4) eingreift.

4. Maßverkörperung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgefertigte Ring (4) ein Formkörper aus einer Dauermagnetlegierung ist.

5. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) und/oder der Ring (4) zumin­ dest eine Tasche (2, 11) zur Aufnahme von Lot (3) aufweist.

6. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot (3) eine Stoffkomponente enthält, das in die Oberfläche (1.1) des Grundkörpers (1) eindiffundiert.

7. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (4) aus einer Dauermagnetlegierung mit Kobalt besteht.

8. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot (3) zumindest die Stoffkomponente Nickel enthält.

9. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot (3) zumindest die Stoffkompo­ nente Silber enthält.

10. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) aus Stahl besteht.

11. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) zumindest weitge­ hend aus Titan besteht und das Lot (3) zumindest die Stoffkomponente Kupfer enthält.

12. Positionsmeßeinrichtung mit

• - einem trommelförmigen Grundkörper (1), auf dessen Außenumfang ein vorgefertigter Ring (4) mit seinem inneren Oberflächenbereich (4.1) durch Löten befestigt ist, indem zwischen dem Grundkörper (1) und dem Ring (4) ein Lot (3) eingebracht ist, das den Ring (4) mit dem Grundkörper (1) flächig stoffschlüssig verbindet,
• - einem in Umfangsrichtung des Ringes (4) hintereinander angeord­ neten Magnetmuster (6) mit abschnittsweise unterschiedlicher Ma­ gnetisierung auf einer dem gelöteten Oberflächenbereich (4.1) direkt gegenüberliegenden Fläche des Ringes (4),
• - einer magnetfeldempfindlichen Abtasteinheit (10), welche das Ma­ gnetmuster (6) abtastet und in Abhängigkeit von der momentanen Winkelstellung des Grundkörpers (1) zumindest ein positionsabhän­ giges elektrisches Abtastsignal generiert.