DE8430895U1

DE8430895U1 - Positionsmeßeinrichtung

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Publication number: DE8430895U1
Application number: DE19848430895
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1984-10-20
Filing date: 1984-10-20
Publication date: 1987-02-19

Description

_ C, j.,

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 21.9.1984

PositionsmeBeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige lichtelektrisch, induktiv, kapazitiv oder magnetisch arbeitende Positionsmeßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage zwischen einem Werkzeug und einem zu bearbeitenden Werkstück sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und/oder Abmessungen eines PrüfObjekts eingesetzt.

Aus der DE-OS 27 29 697 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der die von einer Abtasteinheit bei der Abtastung einer Meßteilung erzeugten periodischen elektrischen Ausgangssignale in einer Auswerteeinrichtung einer Verstärkung und einer Impulsformung zur Gewinnung von Positionsmeßwerten unterzogen werden.

In der DE-PS 32 14 794 ist eine magnetische Positionsmeßeinrichtung beschrieben, bei der die magnetische Meßteilung von einer Abtasteinheit abgetastet wird, deren periodische elektrische Ausgangssignale einer Auswerteeinrichtung mit einer Ver-

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Stärkereinheit und einer Impulsformereinheit zur Gewinnung von Positionsmeßwerten zugeleitet werden.

In der DE-PS 30 08 396 ist eine induktive Positionsmeßeinrichtung offenbart, bei der eine elektrisch leitfähige Meßteilung von einer Abtasteinheit abgetastet wird, deren periodische elektrische Ausgangssignale in einer Auswerteeinrichtung ebenfalls einer Verstärkung und Impulsformung zur Gewinnung von Positionsmeßwerten unterzogen werden.

Bei derartigen bekannten Positionsmeßeinrichtungen in Form von Längenmeßeinrichtungen oder Winkelmeßeinrichtungen stellt die Auswerteeinrichtung zur Impulsformung der von der Abtasteinheit gelieferten periodischen elektrischen Ausgangssignale aber einen erheblichen Kostenfaktor der gesamten Positionsmeßeinrichtung dar, der insbesondere bei billigeren Positionsmeßeinrichtungen mit geringerer Auflösung zu Buche schlägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vositionsmeßeinrichtung der genannten Gattung anzugeben, die zur Gewinnung von genauen Positionsmeßwerten keiner Auswerteeinrichtung mehr bedarf.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die spezielle Ausbildung und durch das Zusammenwirken der Meßteilung und des wenigstens einen Abtastelements durch seine Doppelfunktion als Abtastelement und als Schaltelement auf einfache und direkte Weise impulsgeformte elektrische Ausgangssignale gewonnen werden, so daß eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Impulsformung entfallen kann. Durch dieses Fort-

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fallen der Auswerteeinrichtung verringert sich die Anzahl der Elemente der Positionsmeßeinrichtung und damit die Störanfälligkeit, so daß sich insgesamt eine preiswertere und weniger störanfällige Positionsmeßeinrichtung ergibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1a einen Längsschnitt, J₁

Figur 1b einen Querschnitt und |

Figur 1c Elemente einer einreihigen Win- 1

keime ßeinr ichtung; !'

Figur 2a- f

2c Diagramme von elektrischen Aus- j|

gangsSignalen; 1

Figur 3 eine weitere einreihige Winkel- r.

meßeinrichtung und I

Figur 4 eine mehrreihige Winkelmeßein- f.

richtung.

In Figur 1a ist im Längsschnitt und in Figur 1b im Querschnitt eine Winkelmeßeinrichtung in Form eines einreihigen Kugellagers dargestellt. Dieses Kugellager ist in einem elektrisch isolierenden Gehäuse 1 aus Kunststoff angeordnet und besteht aus einer Reihe von elektrisch leitenden Kugeln 2 aus Stahl zwischen einem elektrisch leitenden Innenring 3 aus Stahl und einem elektrisch leitenden Außenring 4 aus Stahl, der fest im Gehäuse 1 angeordnet ist und die Meßteilung bildet. Dieser Außenring 4 besteht aus zwei Ringhälften 4a, 4b, die jeweils eine Schulter-

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lauffläche 5a, 5b für die Kugeln 2 aufweisen. Die erste Schulterlauffläche 5a besitzt periodisch aufeinander folgende elektrisch leitende Bereiche 5a1 und elektrisch nichtleitende Bereiche 5a2, die eine erste Teilung 4a bilden. Die zweite Schulterlauffläche 5b besitzt ebenfalls periodisch aufeinander folgende elektrisch leitende Bereiche 5b1 und elektrisch nichtleitende Bereiche 5b2, die eine zweite Teilung 4b bilden. Die erste Teilung 4a und die zweite Teilung 4b sind identisch und besitzen die gleiche Teilungsperiode, die durch jeweils einen elektrisch leitenden Bereich 5a1, 5b1 und einen elektrisch nichtleitenden Bereich 5a2, 5b2 bestimmt wird. Die erste Teilung 4a und die zweite Teilung 4b sind um ein Viertel dieser Teilungsperiode gegeneinander verdreht und bilden zusammen die Meßteilung 4. Die elektrisch nichtleitenden Bereiche 5a2, 5b2 der Meßteilung 4 werden durch mit Kunststoff ausgefüllte Vertiefungen in den Schulterlaufflächen 5a, 5b gebildet.

Zwischen den beiden Ringhälften 4a, 4b befindet sich ein elektrisch leitender Zwischenring 6 aus Stahl mit einer Lauffläche 6a für die Kugeln 2. Dieser Zwischenring 6 ist gegen die beiden Ringhälften 4a, 4b elektrisch isoliert und weist zur Stromzuführung einen außen isolierten Kontaktstift 7c auf, wie aus Figur 1c ersichtlich ist; zur Stromabführung sind die beiden Ringhälften 4a, 4b jeweils mit einem außen isolierten Kontaktstift 7a, 7b versehen. Das nach unten offene Gehäuse 1 ist durch eine elektrisch isolierende Abdeckscheibe 8 aus Kunststoff verschlossen. Im Innenring 3 ist eine elektrisch isolierende Buchse 9 aus Keramik angeordnet. Die Kugeln 2 sind im Kugellager durch einen elektrisch isolierenden

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Käfig 10 aus Kunststoff oder Keramik äquidistant verteilt.

Die Winkelmeßeinrichtung ist mit dem Gehäuse 1 fest in einer Bohrung 11 ein^s Maschinenbetts 12 angeordnet und mit der Buchse 9 auf einer Welle 13 befestigt, die sich mittig in der Bohrung 11 befindet. Das Maschinenbett 12 und die Welle 13 einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine stellen die Objekte dar, deren relative Winkellage gemsssen werden soll. Bei einer Drehung der Welle 13 bezüglich des feststehenden Maschinenbetts 12 treibt der fest mit der Welle 13 verbundene Innenring 3 die Kugeln 2 an, die sich auf den Schulterlaufflächen 5a, 5b abwälzen und damit als Abtastelemente unter mechanischem Kontakt die elektrisch leitenden Bereiche 5a1, 5b1 und die elektrisch nichtleitenden Bereiche 5a2, 5b2 der ersten Teilung 4a und der zweiten Teilung 4b abtasten.

In Figur 2a und Figur 2b sind als Diagramm die impulsgeformten periodischen elektrischen Ausgangssignale S1, S2 der Winkelmeßeinrichtung in Form von Rechtecksignalen mit einem oberen Signalpegel So und einem unteren Signalpegel Su dargestellt. Der obere Signalpegel So der beiden Ausgangssignale S1, S2 tritt auf, wenn die Kugeln 2 die elektrisch leitenden Bereiche 5a1, 5b1 der beiden Teilungen 4a, 4b abtasten, so daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kontaktstiften 7a, 7b der beiden Ringhälften 4a, 4b und dem Kontaktstift 7c des Zwischenrings 6 über die Kugeln 2 besteht. Bei der Abtastung der elektrisch nichtleitenden Bereiche 5a2, 5b2 der beiden Teilungen 4a, 4b ist diese elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften 7a, 7b einer-

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seits und dem Kontaktstift 7c andererseits unterbrochen, so daß der untere Signalpegel Su der beiden Ausgangssignale S1, S2 erscheint. Der Übergang zwischen den elektrisch leitenden Bereichen 5a1, 5b1 und den elektrisch nichtleitenden Bereichen 5a2_r 5b2 der beiden Teilungen 4a, 4b erfolgt bei der Abtastung verzögerungsfrei, so daß exakt impulsgeformte periodische elektrische Ausgangssignale S1, S2 erzeugt werden, die direkt einem nicht gezeigten Vorwärts-ZRückwärtszähler zur Gewinnung von Positionsmeßwerten für die Relativlage der beiden zu messenden Objekte 12, 13 zugeführt werden können; eine sonst übliche Auswerteeinrichtung mit einer Impulsformerstufe für sinusförmige Ausgangssignale von bekannten Positionsmeßeinrichtungen ist nicht mehr erforderlich. Die Kugeln 2 besitzen somit eine Doppelfunktion als Abtastelement und als Schaltelement; eine prellfreie Schaltfunktion wird durch eine Vorspannung der KugeIn 2 durch den Innenring 3 und den Außenring 4 gewährleistet.

Da die erste Teilung 4a gegenüber der zweiten Teilung 4b um ein Viertel der Teilungsperiode versetzt ist, weisen die beiden gewonnenen periodischen elektrischen Ausgangssignale S1, S2 einen Phasenversatz von 90° auf, der eine Richtungsdiskriminierung der Drehrichtun«? der Welle 13 bezüglich des Maschinenbetts 12 mittels eines im Zähler vorhandenen Richtungsdiskriminators erlaubt.

Die vorgeschlagene Winkelmeßeinrichtung nach Figur 1 besitzt durch ihre Ausbildung als Kugellager gleichzeitig eine Lagerfunktion und kann ein herkömmliches Kugellager ersetzen; zweckmäßigerweise

besitzt daher die Winkelmeßeinrichtung die gleichen % Einbaumaße wie ein Kugellager der Normreihe. Die

Abtastfunktion und die Schaltfunktion sind bereits g

mit einer elektrisch leitenden Kugel 2 gewährleistet; i für die Lagerfunktion müssen in diesem Fall jedoch

weitere elektrisch nichtleitende Kugeln 2 aus Kunst- 1

stoff oder Keramik vorgesehen sein. Die beiden J Teilungen 4a, 4b besitzen jeweils die gleiche An-

zahl N von Teilungsperioden auf ihrem Umfang. Die ■)

Anzahl A der elektrisch leitenden Kugeln 2 unter- {

liegt der Bedingung, daß der Quotient N/A eine gan- $

ze Zahl ergeben muß. Da die elektrisch leitenden I

Kugeln 2 von der Welle 13 über den Innenring 3 an- ?

getrieben werden, werden bei einer Umdrehung der ;

Welle 13 N/2 Teilungsperioden der beiden Teilungen _>;

4a, 4b abgetastet; die Abtastfrequenz ist damit f

halb so groß wie die Wellenfrequenz. J

In Figur 3 ist im Längsschnitt eine weitere Winkel- &aacgr; meßeinrichtung in Form eines einreihigen Kugellagers | dargestellt. Dieses Kugellager ist in einem elektrisch ;J isolierenden Gehäuse 21 angeordnet und besteht aus -■ einer Reihe von elektrisch leitenden Kugeln 22 zwischen einem elektrisch leitenden Innenring 23 und
einem elektrisch leitenden Außenring 24, der fest | im Gehäuse 21 angeordnet ist und die Meßteilung %

bildet. Dieser Außenring 24 besteht aus zwei Ringhälften 24a, 24b, die jeweils eine Schulterlauffläche 25a, 25b für die Kugeln 22 aufweisen. Die
.30 erste Schulterlauffläche 25a besitzt periodisch aufeinander folgende elektrisch leitende Bereiche
25a1 und elektrisch nichtleitende Bereiche 25a2, die
eine erste Teilung 24a bilden. Die zweite Schulterlauffläche 25b besitzt ebenfalls periodisch aufeinander folgende elektrisch leitende Bereiche

25b1 und elektrisch nichtleitende Bereiche 25b2, die eine zweite Teilung 24b bilden. Die erste Teilung 24a und die zweite Teilung 24b sind identisch und besitzen die gleiche Teilungsperiode, die durch jeweils einen elektrisch leitenden Bereich 25a1, 25b1 und einen elektrisch nichtleitenden Bereich 25a2, 25b2 bestimmt wird. Die erste Teilung 24a und die zweite Teilung 24b sind um ein Viertel dieser Teilungsperlode gegeneinander verdreht und bilden zusammen die Meßteilung 24.

Die elektrisch nichtleitenden Bereiche 25a2, 25b2 der Meßteilung 24 werden durch mit Kunststoff ausgefüllte Vertiefungen in den Schulterlaufflächen 25a, 25b gebildet.

Zwischen den beiden Ringhälften 24a, 24b befindet sich ein elektrisch leitender Zwischenring 26 mit einer Lauffläche 26a für die Kugeln 22. Dieser Zwischenring 26 ist gegen die beiden Ringhälften 24a, 24b elektrisch isoliert und weist zur Stromführung einen außen isolierten Kontaktstift 27c aufj zur Stromabführung sind die beiden Ringhälften 24a, 24b jeweils mit einem außen isolierten Kontaktstift 27a, 27b versehen. Das nach unten offene Gehäuse 21 ist durch eine elektrisch isolierende AbdecVscheibe 28 verschlossen. Die Kugeln 22 sind im Kugellager durch einen elektrisch isolierenden Käfig 30 äquidistant verteilt.

Die Winkelmeßeinrichtung ist mit dem Gehäuse 21 fest in einer Bohrung 31 eines Maschinenbetts 32 angeordnet; mittig in der Bohrung 31 befindet sich eine Welle 33, die durch den Innenring 23 hindurchragt, aber mit dem freilaufenden Innenring 23 keinen Kontakt hat. Das Maschinenbett 32 und die Welle

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33 einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine stellen die Objekte dar, deren relative Winkellage gemessen werden soll. Bei einer Drehung der Welle 33 bezüglich des feststehenden Maschinenbetts 32 treibt der mit der Welle 33 mittels einer Schraube 34 fest verbundene Käfig 30 die Kugeln 22 an, die sich auf den Schulterlaufflächen 25a, 25b abwälzen und damit als Abtastelemente unter mechanischem Kontakt die elektrisch leitenden Bereiche 25a1, 25b1 und die elektrisch nichtleitenden Bereiche 25a2, 25b2 der ersten Teilung 24a und der zweiten Teilung 24b abtasten.

Bei einer zwischen den Kontaktstiften 27a, 27b einerseits und dem Kontaktstift 27c andererseits angelegten Spannung werden bei einer Drehung der Welle 33 durch die Abtastung der beiden Teilungen 24a, 24b auf die gleiche vorbeschriebene Weise die beiden um 90 phasenversetzten, impulsgeformten periodischen elektrischen Ausgangssignale S1, S2 gemäß Figur 2a und Figur 2b von der Winkelmeßeinrichtung erzeugt, die direkt einem nicht gezeigten Vorwärts-/ Rückwärtszähler mit einer Richtungsdiskriminierung zur Gewinnung von Positionsmeßwerten für die ReIativlage der beiden zu messenden Objekte 32, 33 zugeführt werden können. Die Kugeln 22 besitzen ebenfalls eine Doppelfunktion als Abtastelement und als prellfreies Schaltelement.

Die vorgeschlagene Winkelmeßeinrichtung nach Figur 3 besitzt keine Lagerfunktion, da der freilaufende Innenring 23 keinen Kontakt mit der Welle 33 hat, so daß ein zusätzliches Kugellager 35 für die Welle 33 in der Bohrung 31 des Maschinenbetts 32 vorgesehen werden muP. Zweckmäßigerweise sind die Einbaumaße dieser Winkelmeßeinrichtung so gewählt,

daß sie eine Kombination mit einem genormten Kugellager ermöglichen, und zwar in der gleichen Bohrung 31, Die Abtastfunktion und die Schaltfunktion sind bereits mit einer elektrisch leitenden Kugel 22 gewährleistet; die weiteren Kugeln 22 können aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen. Die beiden Teilungen 24a, 24b besitzen jeweils die gleiche Anzahl N von Teilungsperioden auf ihrem Umfang. Die Anzahl A der elektrisch leitenden Kugeln 22 unterliegt der Bedingung, daß der Quotient N/A eine ganze Zahl ergeben muß. Da die elektrisch leitenden Kugeln 22 von der Welle 33 über den Käfig 30 angetrieben werden, werden bei einer Umdrehung der Welle 33 N Teilungsperioden der beiden Teilungen 24a, 24b abgetastet; die Abtastfrequenz ist damit gleich der Wellenfrequenz.

In Figur '4 ist im Längsschnitt eine Winkelmeßeinrichtung in Form eines vierreihigen Kugellagers dargestellt. Dieses Kugellager ist in einem zylindrischen elektrisch isolierenden Gehäuse 41 aus Kunststoff angeordnet und besteht aus vier übereinanderliegenden Reihen von elektrisch leitenden Kugeln 42a-42d jeweils zwischen elektrisch leitenden Innenringen 43a-43d und elektrisch leitenden Außenringen 44a-44d. Das Gehäuse 41 ist an einem Ende mit einem Gehäusedeckel 41a aus Kunststoff mittels nicht gezeigter Schrauben verschlossen. Dieser elektrisch isolierende Gehäusedeckel 41a weist einen elektrisch isolierenden zylindrischen Zapfen 41b aus Kunststoff auf, der längs der Gehäuseachse in das Innere des Gehäuses 41 hineinragt und auf dem die vier Innenringe 43a-43d aufgeschoben und befestigt sind. Am freien Ende des Zapfens 41b ist eine Sicherungsscheibe 56 mit-

tels einer Schraube 57 zur Fixierung der vier Innenringe 43a-43d befestigt, zwischen denen zur elektrischen Isolation Isolationsscheiben 58 vorgesehen sind.
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Der zylindrische Zapfen 41b weist in Längserstrekkung eine Nut 41c auf, in der vier elektrische Kontaktfedern 59a-59d angeordnet sind, die einmal jeweils mit den vier Innenringen 43a-43d in Kontakt stehen und andererseits in nicht dargestellter Weise jeweils mit vier Kontaktstiften 47a-47d auf dem Gehäusedeckel 41a elektrisch verbunden sind. Zwischen den Kontaktstiften 47a-47c einerseits und dem Kontaktstift 47d andererseits ist eine elektrisehe Spannung angelegt. Die Außenringe 44a-44d besitzen jeweils eine Kugellauffläche 45a-45d für die Kugeln 22a-22d. Die erste Kugellauffläche 45a des ersten,Außenringes 44a besitzt periodisch aufeinander folgende elektrisch leitende Bereiche 45a1 und elektrisch nichtleitende Bereiche 45a2, die eine erste Teilung 44a bilden* Die zweite Kugellauffläche 45b des zweiten Außenringes 44b besitzt ebenfalls periodisch aufeinander folgende elektrisch leitende Bereiche 45b1 und elektrisch nichtIeitende Bereiche 45b2, die eine zweite Teilung 44b bilden. Die erste Teilung 44a und die zweite Teilung 44b sind identisch und besitzen die gleiche Teilungsperiode, die durch jeweils einen elektrisch leitenden Bereich 45a1, 45b1 und einen elektrisch nichtleitenden Bereich 45a2, 45b2 bestimmt wird. Die erste Teilung 44a und die zweite Teilung 44b weisen keinen gegenseitigen Winkelversatz auf und bilden zusammen die Meßteilung 44. Die elektrisch nichtleitenden Bereiche 45a2, 45b2 der Meßteilung 44 werden durch mit Kunststoff ausgefüllte Vertiefun-

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gen In den Kugellaufflächen 45a, 45b gebildet. Die dritte Kugellauffläche 45c des dritten Außenringes 44c besitzt nur einen schmalen elektrisch leitenden Bereich 45c1 in Form einer Referenzmarke und einen umlaufenden elektrisch nichtleitenden Bereich 45c2, die eine Referenzteilung 44c bilden. Die vierte Kugellauffläche 45d des vierten Außenrings 44d weist keine Teilung auf.

Da die vier Außenringe 44a-44d wegen der Isolationsscheiben 58 für die vier Innenringe 43e-43d nicht in gegenseitigem Kontakt stehen, sind die vier Außenringe 44a-44d auf ihrer Außenfläche mittels eines dünnen Hohlzylinders 60 elektrisch miteinander verbunden. Die Stromzuführung erfolgt über den vierten Kontaktstift 47d, die vierte Kontaktfeder 59d, den vierten Innenring 43d, die vierte Reihe von Kugeln 42d, den vierten Außenring 44d und den Hohlzylinder 60 zu den ersten drei Außenringen 44a-44c. Die Stromabführung erfolgt über die drei ersten Reihen von Kugeln 42a-42c, die ersten drei Innenringe 43a-43c, die ersten drei Kontaktfedern 59a-59c zu den ersten drei Kontaktstiften 47a-47c. Die vier Reihen von Kugeln 42a-42d sind durch einen elektrisch isolierenden Käfig 50 aus Kunststoff oder Keramik äuqidistant verteilt-

Die Winkelmeßeinrichtung ist mit dem Gehäuse 41 mittels eines am anderen Ende vorgesehenen Flansches 41d in einer Bohrung 51 eines Maschinenbetts 52 angeordnet; in der Bohrung 51 ist mittels eines Kugellagers 55 eine Welle 53 mittig gelagert, die durch eine Wellenbohrung 41e des am anderen Ende geschlossenen Gehäuses 41 in das Innere des Gehäuses 41 hineinragt und mit dem Käfig 50 mittels

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einer Schraube 54 verbunden ist. Das Maschinenbett 52 und die Welle 53 einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine stellen die Objekte dar, deren relative Winkellage gemessen werden soll. Bei einer Drehung der Welle 53 bezüglich des feststehenden Maschinenbetts 52 treibt der mit der Welle 53 fest verbundene Käfig 50 die vier Reihen von Kugeln 42a-42d an, die sich auf den Kugellaufflächen 45a-45d abwälzen. Die vierte Reihe von Kugeln 42d dient nur zur Stromzuführung. Die Kugeln 42a, 42b der ersten beiden Reihen tasten als Abtastelemente unter mechanischem Kontakt die elektrisch leitenden Bereiche 45a1, 45b1 und die elektrisch nichtleitenden Bereiche 45a2, 45b2 der ersten Teilung 44a und der zweiten Teilung 44b ab. Die Kugeln 42c der dritten Reihe tasten den elektrisch leitenden Bereich 45c1 und den elektrisch nichtleitenden Bereich 45c2 der Referenzteilung 44c ab. Die Kugeln 42a der ersten Reihe sind gegenüber den Kugeln 42b der zweiten Reihe im Käfig 50 um ein Viertel der Teilungsperiode der beiden Teilungen 44a, 44b zueinander versetzt.

Wegen der zwischen den Kontaktstiften 47a-47c einerseits und dem Kontaktstift 47d andererseits angelegten Spannung werden bei einer Drehung der Welle 53 durch Abtastung der ersten Teilung 44a und der zweiten Teilung 44b auf die gleiche vorbeschriebene Weise die beiden um 90° phasenversetzten, impulsgeformten periodischen elektrischen Ausgangssignale S1, S2 gemäß Figur 2a und Figur 2b von der Winkelmeßeinrichtung erzeugt, die direkt einem Vorwärts-/Rückwärtszähler mit einer Riehtungsdiskriminierung zur Gewinnung von Positionsmeßwerten für die Relativlage der beiden zu messenden Objekte

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52, 53 zugeführt werden können. Durch Abtastung des elektrisch leitenden Bereiches 45c1 (Referenzmarke) der dritten Teilung 44c (Referenzteilung) wird ein impulsgeformtes elektrisches Referenzsignal so gemäß Figur 2c erzeugt, das den Ausgangssignalen S1, S2 absolut zugeordnet ist und ebenfalls direkt dem Zähler zur Erfassung der Anzahl der vollen Umdrehungen der Welle 53 zugeführt wird. Die Kugeln 42a-42c der ersten drei Reihen besitzen eine Doppelfunktion als Abtastelement und als prellfreies Schaltelement infolge einer mechanischen Vorspannung durch die Innenringe (43a-43c) und die Außenringe (44a-44c).

Die vorgeschlagene Winkelmeßeinrichtung nach Figur 4 besitzt keine Lagerfunktion, da die vier freilaufenden Außenringe 44a-44d mitsamt dem Hohlzylinder 60 keinen Kontakt zum Gehäuse 41 und zum Gehäusedeckel 41a besitzen, so daß das zusätzliche Kugellager 55 für.die Welle 53 in der Bohrung 51 des Maschinenbetts 52 vorgesehen werden muß. Die Abtastfunktion und die Schaltfunktion sind bei den ersten beiden Teilungen 44a, 44b bereits mit jeweils einer elektrisch leitenden Kugel 42a, 42b der ersten beiden Reihen gewährleistet, die weiteren Kugeln 42a, 42b können aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen. Bei der dritten Teilung 44c ist ohnehin nur eine elektrisch leitende . Kugel 42c erforderlich, während die weiteren Kugeln 42c aus elektrisch nichtleitendem Material bestehen. Die beiden ersten Teilungen 44a, 44b besitzen jeweils die gleiche Anzahl N von Teilungsperioden auf ihrem Umfang. Die Anzahl A der elektrisch leitenden Kugeln 42a, 42b der beiden ersten Reihen unterliegt der Bedingung, daß der Quotient N/A eine ganze Zahl ergeben muß. Da die elektrisch leitenden Kugeln 42a, 42b der beiden ersten Reihen

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		über	Käfig	50	angetrieben

werden, werden bei einer Umdrehung der Welle 53 2N Teilungsperioden der beiden ersten Teilungen 44a, 44b abgetastet; die Abtastfrequenz ist damit doppelt so groß wie die Wellenfrequenz.

Die Winkelmeßeinrichtung kann als radiales oder als axiales Wälzlager ausgebildet sein. Anstelle einer Winkelmeßeinrichtung kann die Erfindung auch als Längenmeßeinrichtung in Form einer linearen Wälzlagerführung, beispielsweise einer Kugelgeradführung ausgebildet sein.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 21.9.1984 Ansprüche

1. Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der eine Meßteilung von wenigstens einem Abtastelement abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur direkten Gewinnung von impulsgeformten elektrischen Ausgangssignalen (S1, S2, SO) die Meßteilung (4; 24; 44) aus wenigstens einer Reihe von in Meßrichtung aufeinander folgenden elektrisch leitenden Bereichen (5a1, 5b1; 25a1, 25b1; 45a1, 45b1, 45c1) und elektrisch nichtleitenden Bereichen (5a2, 5b2; 25a2, 25b2; 45a2, 45b2, 45c2) besteht, die von wenigstens einem elektrisch leitenden Abtastelement (2; 22; 42a-42c> unter mechanischem Kontakt abtastbar sind, und daß die Meßteilung (4; 24; 44) einerseits und das wenigstens eine Abtastelement (2; 22; 42a-42c) andererseits mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilung (4; 24; 44) von einem Laufring wenigstens eines Wälzlagers gebildet ist, auf dessen Lauffläche (5; 25; 45) sich die elektrisch leitenden Bereiche (5a1 , 5b1; 25a1, 25b1; 45a1, 45b1, 45c1) und elektrisch nichtleitenden Bereiche (5a2, 5b2; 25a2, 25b2; 45a2, 45b2, 45c2) befinden, und daß das wenigstens eine Abtastelement (2; 22, 42a-42c) aus wenigstens einem umlaufemden Wälzelement des Wälzlagers besteht.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilung (4) in Form eines feststehenden Außenrings des Kugellagers aus zwei Teilungen (4a, 4b) in Form zweier Ringhalften des Außenrings besteht, daß die Schulterlauffläche (5a) der ersten Ringhälfte die elektrisch leitenden Bereiche (5a1) und elektrisch nichtleitenden Bereiche (5a2) aufweist, daß die Schulterlauffläche (5b) der zweiten Ringhälfte die elektrisch leitenden Bereiche (5b1J und die elektrisch nichtleitenden Bereiche (5b2) aufweist und daß die wenigstens eine elektrisch leitende Kugel (2) als Abtastelement vom Innenring (3) des Kugellagers antreibbar ist.

15

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilung (24) in Form eines feststehenden Außenrings des Kugellagers aus zwei Teilungen (24a, 24b) in Form zweier Ringhalften des Außenrings besteht, daß die Schulterlauffläche (25a) der ersten Ringhälfte die elektrisch leitenden Bereiche (25a1) und die elektrisch nichtleitenden Bereiche (25a2) aufweist, daß die Schulterlauffläche (25b) der zweiten Ringhälfte die elektrisch leitenden Bereiche (25b1) und die elektrisch nichtleitenden Bereiche (25b2) aufweist und daß die wenigstens eine elektrisch leitende Kugel (22) als Abtastelement vom Käfig (30) des Kugellagers antreibbar .ist.

30

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilung (44) aus einer ersten Teilung (44a) in Form des freilaufenden Außenrings eines ersten Kugellagers und aus einer zweiten Teilung (44b) in Form des freilaufenden Au&enrings eines zweiten Kugellagers besteht, daß die Lauf-

fläche (45a) des ersten Außenrings die elek- -^: trisch leitenden Bereiche (45a1) und die elektrisch nichtleitenden Bereiche (45a2) aufweist, » daß die Lauffläche (45b) des zweiten Außenrings
die elektrisch leitenden Bereiche (45b1) und

die elektrisch nichtleitenden Bereiche (45b2) ■;

aufweist und daß die wenigstens eine elektrisch ■■

leitende Kugel (42a) des ersten Kugellagers |

und die wenigstens eine elektrisch leitende ^;i;

Kugel (42b) des zweiten Kugellagers als Ab- ^;

tastelemente von einem gemeinsamen Käfig (50) |

antreibbar sind. U

6. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilung ;■

(4a; 24a) gegenüber der zweiten Teilung (4b; 24b)
um ein Viertel der Teilungsperiode der Meßteilung
(4; 24) versetzt ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine elektrisch
leitende Kugel (42a) des ersten Kugellagers
gegenüber der wenigstens einen elektrisch leitenden Kugel (42b) des zweiten Kugellagers im gemein-

samen Käfig (50) um ein Viertel der Teilungsperiode
der Meßteilung (44) versetzt ist.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilung (44) eine dritte
Teilung (44c) als Referenzteilung in Form des

freilaufenden Außenrings eines dritten Kugellagers
aufweist, dessen Lauffläche (45c) einen elektrisch
leitenden Bereich (45c1) als Referenzmarke und
einen elektrisch nichtleitenden Bereich (45c2)

III··

enthält, und daß eine elektrisch leitende Kugel (42c) des dritten Kugellagers als Abtastelement vom Käfig (50) antreibbar ist.

9. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (2; 22; 42a-42c) als Abtastelemente zusätzlich als prellfreie Schaltelemente zwischen den Innenringen (3; 23; 43a 43c) und den Außenringen (4; 24; 44a - 44c) unter einer mechanischen Vorsprannung stehen.