ES2922079T3

ES2922079T3 - Dispositivo de medición de ángulo y método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo

Info

Publication number: ES2922079T3
Application number: ES20165305T
Authority: ES
Inventors: Johann Mitterreiter; Sebastian Gruber; Alois Bartlechner
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2022-09-07
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: DE102019209866A1; CN112179309A; JP2021012188A; EP3760981B1; JP7464446B2; US20210003393A1; EP3760981A1; US11486740B2

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo de medición de ángulo que incluye un primer grupo de componentes (1), un segundo grupo de componentes (2) y un almacén (3). El primer grupo de componentes (1) incluye un elemento de escala (1.1; 1.1') que tiene una primera división (1.11). El segundo grupo de componentes (2) muestra una primera unidad de construcción (2.1) con un sensor de posición (2.11) y una segunda unidad de construcción (2.2), que tiene una primera, segunda y tercera posiciones (2.21, 2.22, 2.23) y un Embrague de compensación (2.3) ON. La primera unidad de construcción (2.1) está conectada a la segunda unidad de construcción (2.2), pero cumple axial y radialmente. El dispositivo de medición de ángulo está configurado de tal manera que se puede operar en un primer modo (i) y en un segundo modo (II). En el primer modo (i), la primera división (1.11) puede ser dispersa por el sensor de posición (2.11) para determinar una primera posición angular (POS 2.11). En el segundo modo (ii), la primera división (1.11) o una división adicional (1.13) dispuesta en el elemento de escala (1.1; 1.13) para determinar una posición de ángulo adicional (POS 2.21, POS 2.22, POS 2.23). Se puede determinar una posición de ángulo relativo corregido (POS I) en función de la posición del primer ángulo (POS 2.11) y las otras posiciones de ángulo (POS 2.21, POS 2.22, POS 2.23). (Figura 3) (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de medición de ángulo y método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

Dispositivo de medición de ángulo y método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo.

La invención se refiere a un dispositivo de medición de ángulo con un elemento de escala para medir una posición angular relativa corregida, según la reivindicación 1, y un método según la reivindicación 8.

CAMPO TÉCNICO

Tales dispositivos de medición de ángulo se pueden montar sobre husillos o mesas giratorias, por ejemplo. Los husillos o mesas giratorias en cuestión se utilizan a menudo en máquinas de mecanizado o centros de mecanizado. En las máquinas herramienta, los husillos o husillos a motor suelen sostener una herramienta giratoria, por ejemplo, una fresa. En las mesas giratorias se fijan piezas de trabajo que luego son mecanizadas mediante arranque de viruta, por ejemplo. Las mesas giratorias se utilizan asen máquinas de medición, midiéndose en esta aplicación una pieza de trabajo fijada a la mesa giratoria. Los dispositivos de medición de ángulo se utilizan en particular en máquinas herramienta o máquinas de medición, para medir movimientos de rotación. Existe un deseo creciente de aumentar las prestaciones de tales husillos o mesas giratorias, en particular la precisión durante el funcionamiento.

ESTADO DE LA TÉCNICA

En el documento EP 2500696 A1 se da a conocer un dispositivo de medición de ángulo que tiene varios cabezales de exploración y mediante el cual se puede llevar a cabo un procedimiento de autocalibración. El documento US 2006/043964 A1 muestra otro dispositivo conocido para medición de ángulo, que posee un grupo sensor para la calibración.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN

La invención se basa en la misión de crear un dispositivo de medición de ángulo que permita determinar una posición angular muy precisa. Además, mediante la invención se crea un método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo que permite determinar con mucha precisión una posición angular.

Esta misión se resuelve según la invención mediante las características de la reivindicación 1 y, respectivamente, 8.

Por consiguiente, el dispositivo de medición de ángulo comprende un primer grupo de componentes, un segundo grupo de componentes y un cojinete. Los grupos de componentes están dispuestos de manera que, por el cojinete o con la ayuda del cojinete, pueden girar uno con respecto a otro en torno a un eje de rotación. El primer grupo de componentes comprende un elemento de escala que tiene una primera graduación. El segundo grupo de componentes tiene una primera unidad estructural, que a su vez tiene al menos un sensor de posición. Además, el segundo grupo de componentes tiene una segunda unidad estructural, que tiene un primer, segundo y tercer captadores de posición. Por otra parte, el segundo grupo de componentes tiene un acoplamiento de compensación. El sensor de posición y el primer, segundo y tercer captadores de posición están dispuestos respectivamente frente al elemento de escala, con un espacio de aire. Con ayuda del acoplamiento de compensación, la primera unidad estructural está conectada a la segunda unidad estructural de manera rígida a la torsión pero flexible axial y radialmente, de modo que el sensor de posición está dispuesto de manera rígida a la torsión pero flexible axial y radialmente con respecto a los captadores de posición. El dispositivo de medición de ángulo está configurado de manera que puede funcionar en un primer modo y en un segundo modo. En el primer modo, el sensor de posición puede explorar la primera graduación para determinar una primera posición angular. En el segundo modo, los captadores de posición pueden explorar la primera graduación o una graduación adicional dispuesta en el elemento de escala, para determinar en cada caso una posición angular adicional. Basándose en la primera posición angular y las posiciones angulares adicionales se puede determinar una posición angular relativa entre los grupos de componentes, corregida.

En lo que sigue, la expresión "rígido a la torsión" debe entenderse en el sentido de que la situación del sensor de posición con respecto a los captadores de posición, referida a la dirección circunferencial, permanece inalterada incluso cuando se somete a una carga habitual el acoplamiento de compensación. Por el contrario, cuando se somete a una carga habitual el acoplamiento de compensación, la situación del sensor de posición cambia con respecto a los captadores de posición debido a la flexibilidad axial y radial del acoplamiento de compensación. En particular, el sensor de posición está dispuesto de manera inamovible (axial y radialmente) con respecto al elemento de escala.

El uso de las expresiones "sensor de posición" y "captador de posición" pretende principalmente expresar el hecho de que estos elementos están montados en diferentes unidades estructurales. Los elementos en cuestión (sensor de posición, captador de posición) pueden estar construidos de distinta o idéntica forma.

Mediante el sensor de posición se puede determinar de forma absoluta, dentro de una revolución, una posición angular del elemento de escala en relación con el segundo grupo de componentes. Esto se puede lograr, por ejemplo, si la primera graduación tiene una traza de código absoluta o si se aplica al elemento de escala una marca de referencia que, combinada con una graduación incremental, permite una determinación absoluta de la posición angular dentro de una revolución.

El sensor de posición puede estar dispuesto frente al elemento de escala, con un espacio de aire que se extiende en dirección radial o axial. Del mismo modo, cada uno de los captadores de posición puede estar dispuesto frente al elemento de escala, con un espacio de aire que se extiende en dirección radial o axial, pudiendo cambiar en este caso el tamaño del respectivo espacio de aire debido a desviaciones, desplazamientos o inclinaciones debidos a cargas, con deformación del acoplamiento de compensación.

Ventajosamente, la primera graduación y la opcional graduación adicional comprenden estructuras regulares que están dispuestas alineadas paralelamente entre sí a lo largo de una primera dirección. La primera dirección tiene una componente direccional en la dirección circunferencial.

En otra ejecución de la invención, el segundo grupo de componentes tiene una fuente de luz y la primera graduación y el sensor de posición están conformados de manera que se puede determinar la posición angular relativa entre los grupos de componentes a través de un principio óptico.

Ventajosamente, al menos dos de los captadores de posición están dispuestos desplazados en un ángulo central en torno al eje de rotación de al menos 90°. Así, por ejemplo, el primer captador de posición está dispuesto desplazado con respecto al segundo captador de posición, o con respecto al tercero, en un ángulo central en torno al eje de rotación de al menos 90°. Se debe entender por ángulo central un ángulo de punto central, donde el punto central en cuestión se encuentra en el eje de rotación.

En otra ejecución de la invención, al menos tres de los captadores de posición y opcionalmente también el sensor de posición están dispuestos a lo largo de una línea circular. Sin embargo, en particular también el primero, el segundo, el tercero y el cuarto captadores de posición (opcionalmente con el sensor de posición) pueden estar dispuestos a lo largo de una línea circular.

Ventajosamente, el elemento de escala tiene una graduación adicional, y el elemento de escala está conformado de manera que la primera graduación puede ser explorada según un principio óptico y la graduación adicional según un principio magnético. La primera graduación y la graduación adicional pueden estar dispuestas al menos parcialmente superpuestas. Por ejemplo, la primera graduación y la graduación adicional pueden estar aplicadas a una cara lateral de un elemento de escala cilíndrico, y la primera graduación y la graduación adicional pueden estar conformadas superpuestas con respecto a la dirección axial.

El segundo grupo de componentes comprende ventajosamente una carcasa, estando dispuestos el sensor de posición y los captadores de posición dentro de la carcasa.

Según un aspecto adicional, la invención comprende también un método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo. El dispositivo de medición de ángulo se puede hacer funcionar en un primer modo y en un segundo modo, donde en el primer modo el sensor de posición explora la primera graduación para determinar una primera posición angular, y en el segundo modo los captadores de posición exploran la primera graduación o una graduación adicional dispuesta en el elemento de escala, para determinar en cada caso una posición angular adicional. Además, en el segundo modo se determina una posición angular relativa entre los grupos de componentes, corregida, basándose la posición angular relativa corregida en la primera posición angular y las posiciones angulares adicionales.

Según un desarrollo del método, a partir de las posiciones angulares adicionales determinadas en el segundo modo se genera un valor de corrección que se emplea en el primer modo, junto con la primera posición angular medida, para generar la posición angular relativa corregida.

Ventajosamente, basándose en las posiciones angulares adicionales medidas se determina un valor de corrección y se almacena (en particular en el dispositivo de medición de ángulo).

Ventajosamente, en el segundo modo se hace girar el elemento de escala en torno al eje de rotación al menos 360°, en particular al menos 720°.

El dispositivo de medición de ángulo puede hacerse funcionar secuencialmente en el primer modo y en el segundo modo, o también de manera simultánea en el primer y en el segundo modo.

Ventajosamente, los primer, segundo y tercer captadores de posición pueden explorar la primera graduación o la graduación adicional, para determinar un desplazamiento del elemento de escala en un plano.

Además, los cuarto, quinto y sexto captadores de posición pueden explorar la segunda graduación con el fin de determinar una posición axial del elemento de escala.

El dispositivo de medición de ángulo tiene ventajosamente un módulo de almacenamiento que puede utilizarse como registrador de datos para almacenar información basada en las señales generadas por el sensor de posición y/o los captadores de posición.

Ventajosamente, al menos la primera graduación o la graduación adicional (o ambas graduaciones) está aplicada a una cara lateral de un elemento de escala cilíndrico.

El primer grupo de componentes puede incluir opcionalmente un elemento de escala que tenga, además de la primera graduación, una segunda graduación. Entonces, cuarto, quinto y sexto captadores de posición pueden explorar la segunda graduación. Mediante los cuarto, quinto y sexto captadores de posición se puede determinar una inclinación del elemento de escala y, por lo tanto, una inclinación del eje de rotación en torno a un eje de inclinación. La segunda graduación comprende estructuras regulares que están dispuestas alineadas paralelamente entre sí a lo largo de una segunda dirección. La segunda graduación tiene una componente direccional en la dirección axial. Además, la segunda graduación puede estar conformada como una graduación incremental o como una graduación absoluta. Una ejecución como graduación absoluta tiene la ventaja de que se puede determinar inmediatamente (en particular, sin recorrido de referencia) la posición axial del elemento de escala incluso después de la puesta en marcha del dispositivo de medición de ángulo, lo que puede ser útil, por ejemplo, en el caso de desviaciones axiales del elemento de escala debidas a la temperatura.

La primera dirección, a lo largo de la cual están dispuestas alineadas las estructuras regulares de la primera graduación o respectivamente de otras graduaciones, puede ser la misma que la dirección circunferencial. La primera dirección puede estar también inclinada o dispuesta oblicuamente con respecto a la dirección circunferencial (pero no perpendicular a la dirección circunferencial). De igual modo la segunda dirección, a lo largo de la cual están dispuestas alineadas las estructuras regulares de la segunda graduación, puede ser la misma que la dirección axial (y, por tanto, paralela al eje de rotación). La segunda dirección puede estar asimismo inclinada o dispuesta oblicuamente con respecto a la dirección axial (pero no perpendicular a la dirección axial). Por ejemplo, las estructuras regulares de la primera graduación y las de la segunda graduación pueden estar orientadas unas con respecto a otras en forma de flecha.

El desplazamiento del elemento de escala en el plano puede determinarse ventajosamente mediante un principio magnético. En este caso, las estructuras de la graduación del elemento de escala están constituidas en particular como estructuras magnéticas, es decir, como una secuencia localmente definida de polos norte y sur magnéticos. En esta ejecución, el sensor de posición y/o los captadores de posición están conformados como sensores magnéticos. El sensor de posición y/o los captadores de posición pueden trabajar basándose en un principio magnetorresistivo, por ejemplo, o bien estar conformados como captadores Hall de posición. Como alternativa, los captadores de posición también se pueden basar en un principio de medición óptico o inductivo, siendo igualmente posibles combinaciones de los principios, de modo que la primera graduación pueda ser explorada según un principio distinto al de la segunda graduación.

Por ejemplo, entra en consideración como elemento de escala un cuerpo en forma de anillo, que se puede sujetar a un buje. No obstante, como alternativa también pueden estar aplicadas directamente sobre el buje la primera y/o la segunda graduaciones, o una graduación adicional.

Ventajosamente, el sensor de posición y los captadores de posición están conectados eléctricamente a un módulo electrónico, donde el componente electrónico puede determinar la posición angular del elemento de escala, el desplazamiento o la posición del elemento de escala en el plano perpendicular al eje de rotación, y la inclinación del elemento de escala. Opcionalmente, el módulo electrónico puede determinar también la posición axial.

En el caso de husillos o mesas giratorias que, como es natural, están conformados de manera convenientemente rígida, tales inclinaciones son comparativamente pequeñas y se sitúan en el rango de menos de un minuto de ángulo con respecto al eje ideal de rotación, por ejemplo, desde 100 segundos de ángulo hasta 50 segundos de ángulo. En consecuencia, de estas inclinaciones resultan solo cambios de posición mínimos, por lo cual los captadores de posición deben tener una resolución muy alta para poder proporcionar datos fiables o valores cuantitativos en cuanto a la inclinación. Dado que el eje de rotación puede eventualmente girar, la inclinación descrita puede conducir a movimientos de oscilación del elemento de escala, pudiendo el dispositivo de medición de ángulo detectar cuantitativamente los movimientos de oscilación, en particular al sumar la posición angular medida.

Ventajosamente, los captadores de posición pueden tener una resolución inferior a 2 gm, en particular inferior a 1 gm, en particular inferior a 750 nm. Se pueden conseguir estos valores de resolución tanto en la determinación de las posiciones axiales como en la de las laterales, es decir, en el plano perpendicular al eje de rotación.

Según un desarrollo del método, los primer, segundo y tercer captadores de posición exploran la primera graduación o una graduación adicional dispuesta en el elemento de escala, para determinar en cada caso una posición angular adicional. A partir de las posiciones angulares adicionales detectadas se determina o se calcula un desplazamiento del elemento de escala en el plano.

Con el dispositivo de medición de ángulo, se pueden detectar en línea no solamente una posición angular, sino también desviaciones de eje de, por ejemplo, una mesa giratoria. En particular, basándose en los valores medidos de la posición angular y de la posición del elemento de escala en el plano perpendicular al eje de rotación, se puede llevar a cabo mediante un control numérico la corrección de la posición de consigna en el proceso de mecanizado o de medición. Así, por ejemplo, se puede corregir la posición de una pieza de trabajo durante el mecanizado. En particular, el dispositivo de medición de ángulo puede estar configurado de manera que, de mancomún con un control numérico, se generan valores de corrección que se basan en los datos de posición medidos por el dispositivo de medición de ángulo, combinados con la posición angular absoluta.

Por lo tanto, mediante un dispositivo de medición de ángulo conformado de esta manera se pueden detectar cuantitativamente, en función de la posición angular medida, desviaciones o movimientos del elemento de escala o del eje de rotación en los restantes cinco grados de libertad.

De las reivindicaciones dependientes se deducen perfeccionamientos ventajosos de la invención.

Otras particularidades y ventajas del dispositivo de medición de ángulo según la invención se desprenden de la descripción siguiente de ejemplos de realización, por medio de las figuras adjuntas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Muestran

La figura 1, una representación en despiece ordenado de un dispositivo de medición de ángulo,

la figura 2, otra representación en despiece ordenado del dispositivo de medición de ángulo,

la figura 3, una vista superior del dispositivo de medición de ángulo,

la figura 4, una representación en corte parcial del dispositivo de medición de ángulo,

la figura 5, otra representación en corte parcial del dispositivo de medición de ángulo,

la figura 6, una vista en detalle de un elemento de escala del dispositivo de medición de ángulo según un primer ejemplo de realización,

la figura 7, un diagrama de flujo de un método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo, la figura 8, un diagrama de flujo de un método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo según una variante adicional,

la figura 9, una vista en detalle de un elemento de escala del dispositivo de medición de ángulo según otro ejemplo de realización.

DESCRIPCIÓN DE LAS FORMAS DE REALIZACIÓN

En las figuras 1 y 2 se muestra en cada caso una representación en despiece ordenado del dispositivo de medición de ángulo, tal como puede instalarse, por ejemplo, en un eje de mesa giratoria de una máquina herramienta, por ejemplo una máquina fresadora. El dispositivo de medición de ángulo comprende un primer grupo 1 de componentes y un segundo grupo 2 de componentes. De acuerdo con la figura 3, el primer grupo 1 de componentes puede girar con respecto al segundo grupo 2 de componentes alrededor de un eje A de rotación, de modo que entonces el primer grupo 1 de componentes puede actuar como rotor y al segundo grupo 2 de componentes se le puede denominar también estator. Además, el dispositivo de medición de ángulo de acuerdo con la figura 4 comprende un cojinete 3, que aquí está conformado como cojinete de rodillos.

El primer grupo 1 de componentes tiene un elemento 1.1 de escala, que está fijado solidariamente en rotación a un buje 1.2 (véanse las figuras 4 o 5, por ejemplo). El buje 1.2 sirve para recibir un árbol, por ejemplo, de una mesa giratoria, de modo que el árbol está unido rígidamente y de manera solidaria en rotación con el buje 1.2.

El segundo grupo 2 de componentes tiene una primera unidad estructural 2.1, que aquí está construida en dos partes y por lo tanto comprende una primera parte 2.1a, que aquí se puede denominar mordaza de fijación, y una segunda parte 2.1b, que en el ejemplo de realización expuesto se puede denominar placa de apoyo. Está fijado a la primera parte 2.1a un sensor 2.11 de posición, que está dispuesto frente al elemento 1.1 de escala con un espacio de aire radial (véase la figura 4).

El segundo grupo 2 de componentes comprende además una segunda unidad estructural 2.2, que también está construida en dos partes. Por consiguiente, la segunda unidad estructural 2.2 comprende una primera parte 2.2a y una segunda parte 2.2b, que aquí también se puede denominar brida. Varios captadores 2.20 a 2.26 de posición están montados directamente en la primera parte 2.2a, que está conformada como anillo de retención. De acuerdo con la figura 5, los captadores 2.20 a 2.26 de posición están dispuestos frente al elemento 1.1 de escala, con un espacio de aire radial. Según la forma de realización aquí descrita, el dispositivo de medición de ángulo comprende en detalle un primer captador 2.21 de posición, un segundo captador 2.22 de posición, un tercer captador 2.23 de posición, un cuarto captador 2.24 de posición, un quinto captador 2.25 de posición, un sexto captador 2.26 de posición y un séptimo captador 2.20 de posición. Los captadores 2.20 a 2.26 de posición están dispuestos en cada caso desplazados uno con respecto a otro en la dirección circunferencial u.

El segundo grupo 2 de componentes comprende un acoplamiento 2.3 de compensación. Este sirve para compensar desplazamientos causados por imprecisiones naturales de fabricación y de montaje. Con ayuda del acoplamiento 2.3 de compensación, la primera unidad estructural 2.1 está unida a la segunda unidad estructural 2.2 de manera resistente a la torsión, pero con flexibilidad axial y radial. En el ejemplo de realización expuesto, la primera parte 2.1b de la primera unidad estructural 2.1 está unida a tres soportes 2.31,2.33, 2.35 del acoplamiento 2.3 de compensación por medio de uniones atornilladas, que se representan a modo de ejemplo en la figura 1 mediante líneas de trazos y puntos. Por su parte, la segunda parte 2.2b de la segunda unidad estructural 2.2 está unida a los otros tres soportes 2.32, 2.34, 2.36 del acoplamiento 2.3 de compensación. De este modo el sensor 2.11 de posición está dispuesto de manera rígida a la torsión, pero flexible o elástica axial y radialmente, con respecto a los varios captadores 2.20 a 2.26 de posición.

Después de conectar el acoplamiento 2.3 de compensación a la primera unidad estructural 2.1 y a la segunda unidad estructural 2.2 de la manera descrita en lo que antecede, la primera parte 2.2a puede estar unida mediante tornillos a la segunda parte 2.2b de la segunda unidad estructural 2.2. Según ello, el sensor 2.11 de posición y los captadores 2.20 a 2.26 de posición están dispuestos axialmente a la altura del elemento 1.1 de escala.

Por medio de la figura 1 se explica, en particular, la situación de instalación del acoplamiento 2.3 de compensación, mientras que en la figura 2 se ilustra la situación con respecto a la segunda unidad estructural 2.2, que comprende la primera parte 2.2a y la segunda parte 2.2b. En el curso del montaje se desplaza axialmente la segunda unidad estructural 2.2 sobre la segunda parte 2.1b de la primera unidad estructural 2.1.

Además, el segundo grupo 2 de componentes comprende una carcasa 2.4, que está conectada a la segunda parte 2.2b de la segunda unidad estructural 2.2 y generalmente está fijada rígidamente a una parte de la máquina para la operación de medición. La carcasa 2.4 sirve para proteger de las influencias ambientales el interior del dispositivo de medición de ángulo. En relación con ello, a menudo están previstas juntas de estanqueidad entre el buje 1.2 y la carcasa 2.4, pero en interés de la claridad no están representadas en las figuras.

Como se ha descrito más arriba, cuando el dispositivo de medición de ángulo funciona según lo establecido, el buje 1.2 está conectado de forma rígida y solidaria en rotación a un árbol giratorio, y la carcasa o la segunda parte 2.2b de la segunda unidad estructural 2.2 está conectada a una parte estacionaria de la máquina. Las excentricidades, los movimientos de oscilación o los desplazamientos axiales del árbol con respecto a la parte de la máquina provocan fuerzas de reacción en el dispositivo de medición de ángulo, en particular en el cojinete 3. Para limitar la intensidad de las fuerzas de reacción está previsto el acoplamiento 2.3 de compensación, que es flexible o elásticamente deformable en dirección radial y axial. Por otro lado, el acoplamiento 2.3 de compensación es rígido a la torsión, de manera que no se ve afectada la precisión de la medición de la posición angular. El sensor 2.11 de posición está rígidamente conectado a la segunda parte 2.1b de la primera unidad estructural 2.1. Una deformación del acoplamiento 2.3 de compensación no tiene influencia alguna sobre la posición del sensor 2.11 de posición con respecto al elemento 1.1 de escala. Por otro lado, los captadores 2.20 a 2.26 de posición pueden desviarse (axial y radialmente) con respecto al elemento 1.1 de escala en el marco de la elasticidad del acoplamiento 2.3 de compensación.

En el ejemplo de realización expuesto, el sensor 2.11 de posición y los captadores 2.20 a 2.26 de posición están construidos de forma casi idéntica, y todos están dispuestos a lo largo de una línea circular. En la Figura 4 se muestra una representación en corte con el sensor 2.11 de posición (a través de la línea D-D en la figura 3), y en la figura 5 se muestra una representación en corte con un captador 2.21 de posición (por la línea F-F en la figura 3) de los captadores 2.20 a 2.26 de posición. Los captadores 2.11,2.21 de posición en cuestión comprenden cada uno un led 2.111,2.211, un condensador 2.112, 2.212 y un elemento sensor 2.113, 2.213. El elemento sensor 2.113, 2.213 está conformado aquí como un denominado opto-ASIC en una placa de circuito impreso. El led 2.111,2.211 que sirve como fuente de luz envía luz a través del condensador 2.112, 2.212 al elemento 1.1 de escala. El led 2.111, 2.211, el condensador 2.112, 2.212 y el elemento sensor 2.113, 2.213 están asignados al segundo grupo de componentes del dispositivo 2 de medición de ángulo, es decir, el estator. En el ejemplo de realización expuesto, cada captador 2.11,2.20 a 2.26 de posición tiene una carcasa en la que están dispuestos correspondientes elementos sensores 2.113, 2.213. Como alternativa, también se puede prescindir de la carcasa, o también se pueden disponer varios elementos sensores en la misma carcasa. Por ejemplo, también pueden estar montados en la misma placa de circuito varios o todos los captadores 2.11,2.20 a 2.26 de posición.

Por el contrario, el elemento 1.1 de escala está fijado, como ya se ha mencionado, al buje giratorio 1.2. De acuerdo con la figura 6, el elemento 1.1 de escala comprende una primera graduación 1.11 y una segunda graduación 1.12. En el ejemplo de realización expuesto, el elemento 1.1 de escala está conformado como un cuerpo cilíndrico o anular en cuya cara lateral están dispuestas tanto la segunda graduación 1.12 como la primera graduación 1.11, estando dispuesta la segunda graduación 1.12 desplazada frente a la primera graduación 1.11 con respecto a la dirección axial z.

En la figura 6 se muestra un corte de una vista de la carcasa del elemento 1.1 de escala desde la cara lateral. La segunda graduación 1.12 comprende estructuras o líneas regulares, que están dispuestas alineadas paralelamente entre sí a lo largo de una segunda dirección, teniendo la segunda dirección un componente direccional en la dirección axial. En el ejemplo de realización expuesto, la segunda dirección es la misma que la dirección axial z.

La primera graduación 1.11 comprende estructuras o líneas regulares, que están dispuestas alineadas paralelamente entre sí a lo largo de una segunda dirección, teniendo la segunda dirección una componente direccional en la dirección axial. En el ejemplo de realización expuesto, la segunda dirección discurre paralela al eje A de rotación o paralela a la dirección z. Además, la primera graduación 1.11 comprende una marca 1.111 de referencia.

Dicho de otro modo, la primera graduación 1.11 comprende estructuras regulares, que aquí están conformadas como líneas y están orientadas en la segunda dirección y dispuestas paralelamente entre sí. En el ejemplo de realización expuesto, la segunda dirección discurre paralela al eje A de rotación o paralela a la dirección z. La segunda graduación 1.12 también comprende estructuras regulares que aquí están conformadas circunferencialmente y cuyos lados longitudinales circunferenciales están orientados en la primera dirección y dispuestos paralelamente entre sí. La primera dirección discurre en la dirección circunferencial u.

En el ejemplo de realización expuesto, las estructuras de la primera graduación 1.11 y las de la segunda graduación 1.12 están conformadas como tiras fotorreflectantes y no fotorreflectantes. Debido a su primera graduación 1.11, el elemento 1.1 de escala es capaz de modular la luz incidente según la posición angular del elemento 1.1 de escala o del buje 1.2. La luz incidente es modulada por la segunda graduación 1.12 de acuerdo con la posición axial del elemento 1.1 de escala o del buje 1.2. Por último, en las figuras 4 y 5 la luz modulada incide sobre fotodetectores de los elementos sensores 2.113, 2.213.

Los captadores 2.20 a 2.26 de posición están conectados eléctricamente a un módulo electrónico. De acuerdo con la figura 3, los captadores 2.20 a 2.26 de posición están dispuestos básicamente por pares (primer par 2.21, 2.24, segundo par 2.22, 2.25, tercer par 2.23, 2.26). En el ejemplo de realización expuesto, la primera graduación 1.11 es explorada por el primer captador 2.21 de posición, el segundo captador 2.22 de posición y el tercer captador 2.23 de posición. La segunda graduación 1.12 es explorada por el cuarto captador 2.24 de posición, el quinto captador 2.25 de posición y el sexto captador 2.26 de posición, pudiéndose determinar con estos captadores 2.24, 2.25, 2.26 de posición la posición axial del elemento 1.1 de escala. El captador 2.20 de posición, que no pertenece a ninguno de los pares mencionados, sirve también para explorar la primera graduación 1.11.

De acuerdo con las figuras 7 y 8, el dispositivo de medición de ángulo en cuestión puede funcionar, a elección, en un primer modo I o en un segundo modo II, pudiendo funcionar el dispositivo de medición de ángulo en ambos modos I, II al mismo tiempo, o bien en períodos de tiempo sucesivos solamente en uno de los modos I, II. El primer modo I puede definirse como el modo de medición propiamente dicho, mientras que al segundo modo II también se le puede denominar modo de calibración. En el segundo modo II, por lo tanto, se lleva a cabo una ronda de calibración. El dispositivo de medición de ángulo puede cambiarse al segundo modo II, por ejemplo, a intervalos de tiempo de funcionamiento predefinidos, o bien después de un número específico de revoluciones, o después de cada encendido del dispositivo de medición de ángulo.

La primera graduación 1.11 es explorada por el primer captador 2.21 de posición, el segundo captador 2.22 de posición y el tercer captador 2.23 de posición. Durante la ronda de calibración, el elemento 1.1 de escala gira al menos 360°. Cada uno de los tres captadores 2.21,2.22, 2.23 de posición mide las posiciones angulares adicionales denominadas Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23 (figura 7). A partir de las posiciones angulares adicionales Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23 medidas se determina en el módulo electrónico un valor KII de corrección, y se almacena en el dispositivo de medición de ángulo o en un controlador.

En el primer modo I, el sensor 2.11 de posición explora entonces la primera graduación 1.11 de manera que el sensor 2.11 de posición determina una primera posición angular Pos 2.11 del elemento 1.1 de escala con respecto al sensor 2.11 de posición. La primera posición angular Pos 2.11 se puede determinar de manera absoluta dentro de una revolución. Para ello, tal como se muestra en la figura 6, se puede utilizar una primera graduación en sí incremental 1.11, mediante la cual, en combinación con la marca 1.111 de referencia, se puede generar una primera posición angular absoluta Pos 2.11 a lo largo de una revolución. Como alternativa, la primera graduación 1.11 puede estar conformada de manera absoluta, por ejemplo como código pseudoaleatorio o código Gray, en el sentido de una codificación, es decir, con generación de un valor de código único. Las señales del sensor 2.11 de posición son enviadas a un módulo electrónico que está montado en un lugar adecuado dentro del segundo grupo 2 de componentes. El módulo electrónico genera entonces los valores, en particular digitales, de la primera posición angular Pos 2.11. En el componente electrónico se calcula en el primer modo I, empleando el valor KII de corrección junto con la primera posición angular Pos 2.11 medida, una posición angular relativa Pos I entre los grupos 1,2 de componentes, corregida, y se emite como resultado de la medición.

Mediante el uso que se ha descrito de los valores KII de corrección se pueden corregir deformaciones del elemento 1.1 de escala que se producen, por ejemplo, durante el funcionamiento del dispositivo de medición de ángulo, de manera que queda garantizada una alta precisión de medida de la posición angular.

El método de corrección se puede optimizar empleando no solamente el primer captador 2.21 de posición, el segundo captador 2.22 de posición y el tercer captador 2.23 de posición para explorar la primera graduación 1.11, sino además un cuarto captador 2.24 de posición. También en este caso, durante la ronda de calibración el elemento 1.1 de escala gira al menos 360°. De acuerdo con la figura 8, cada uno de los cuatro captadores 2.20, 2.21,2.22, 2.23 de posición mide posiciones angulares adicionales Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23. A partir de las posiciones angulares adicionales medidas Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23 se determina en el módulo electrónico un valor KII de corrección y se almacena en el dispositivo de medición de ángulo o en un controlador. En el primer modo I se recurre a este valor KII de corrección para corregir la primera posición angular medida Pos 2.11, de modo que el módulo puede calcular una posición angular Pos I entre los grupos 1, 2 de componentes, corregida, y emitirla como resultado de la medición.

Mediante una vinculación adecuada de las señales de posición del primer captador 2.21 de posición, del segundo captador 2.22 de posición y del tercer captador 2.23 de posición, en el componente electrónico se pueden determinar en un plano P, que está orientado perpendicularmente al eje A de rotación, la posición del elemento 1.1 de escala, es decir, las coordenadas x, y de la posición real del eje A de rotación. Durante el mecanizado, esta posición, a la que se puede denominar también posición lateral, depende de la carga para una mesa giratoria dada. Además, a la posición lateral actual también se le asigna la posición angular corregida Pos I del buje 1.2.

Con el dispositivo de medición de ángulo también se puede determinar, mediante una vinculación adecuada de las señales de posición del cuarto captador 2.24 de posición, del quinto captador 2.25 de posición y del sexto captador 2.26 de posición, el grado de inclinación del elemento 1.1 de escala en torno a un eje B de inclinación, que se encuentra en un plano P, así como el grado y la dirección de movimientos de oscilación. El plano P está orientado perpendicularmente al eje A de rotación.

Gracias al dispositivo de medición de ángulo es posible, especialmente en el caso de mesas giratorias, determinar la posición angular absoluta del buje 1.2 y medir la posición lateral y axial del buje 1.2 en función de la posición angular absoluta. Dado que las mesas giratorias mencionadas ya están de por sí construidas muy rígidas, se llevan a cabo aquí mediciones de posición que se mueven en el rango de pm o inferior. Por lo tanto, se requiere una alta resolución, en particular del sensor 2.11 de posición y de los captadores 2.20 a 2.26 de posición. Se pueden medir asimismo, inclinaciones del eje A de rotación con respecto a la carcasa 2.2 en torno al eje B de inclinación.

Las señales de posición ulteriormente procesadas se envían finalmente a través de un cable a otro dispositivo, por ejemplo a un dispositivo de control de una máquina.

En el ejemplo de realización expuesto, el sensor 2.11 de posición y los captadores 2.20 a 2.26 de posición son captadores de posición que detectan una posición angular y/o una posición axial.

De acuerdo con la figura 9 se explica un segundo ejemplo de realización. La figura 9 muestra una vista de un elemento 1.1' de escala desde la cara lateral. El elemento 1.1' de escala comprende una primera graduación 1.11 que corresponde a la del primer ejemplo de realización. Además, la primera graduación 1.11 comprende una marca 1.111 de referencia. De manera análoga al primer ejemplo de realización, las estructuras de la primera graduación 1.11 y de la marca 1.111 de referencia están conformadas como tiras fotorreflectantes y no fotorreflectantes. La segunda graduación está configurada asimismo de manera análoga al primer ejemplo de realización.

No obstante, de acuerdo con el segundo ejemplo de realización el elemento 1.1' de escala presenta otra graduación 1.13. Esta comprende estructuras regulares o líneas que están dispuestas alineadas paralelamente entre sí a lo largo de la primera dirección, teniendo la primera dirección una componente direccional en la dirección circunferencial u. En el ejemplo de realización expuesto, la primera dirección es la misma que la dirección circunferencial u. En el ejemplo de realización expuesto, las estructuras de la graduación adicional 1.13 están conformadas como polos norte y sur magnéticos. La primera graduación 1.11 y la graduación adicional 1.13 están dispuestas al menos parcialmente superpuestas.

Conforme a la figura 4, el sensor 2.11 de posición puede entonces explorar la primera graduación 1.11 según un principio óptico, mientras que los captadores de posición funcionan según un principio magnético. Así, en el segundo ejemplo de realización, la primera posición angular Pos 2.11 es detectada de manera óptica, y las posiciones angulares adicionales Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23, Pos 2.24, Pos 2.25, Pos 2.26 por un principio magnético.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de medición de ángulo que comprende un primer grupo (1) de componentes, un segundo grupo (2) de componentes y un cojinete (3), donde los grupos (1,2) de componentes están dispuestos de manera que pueden girar uno con respecto a otro en torno a un eje (A) de rotación por el cojinete (3), donde

- el primer grupo (1) de componentes comprende un elemento (1.1; 1.1') de escala que tiene una primera graduación (1.11),

- el segundo grupo (2) de componentes tiene una primera unidad estructural (2.1), que tiene un sensor (2.11) de posición,

tiene una segunda unidad estructural (2.2) que tiene un primer, segundo y tercer captadores (2.21, 2.22, 2.23) de posición, y

tiene un acoplamiento (2.3) de compensación, donde el sensor (2.11) de posición y los captadores (2.21,2.22, 2.23) de posición están dispuestos respectivamente frente al elemento (1.1; 1.1') de escala con un espacio de aire,

la primera unidad estructural (2.1) está conectada a la segunda unidad estructural (2.2) con ayuda del acoplamiento (2.3) de compensación, de manera rígida a la torsión pero flexible axial y radialmente, de modo que el sensor (2.11) de posición está dispuesto de manera rígida a la torsión pero flexible axial y radialmente con respecto a los captadores (2.21,2.22, 2.23) de posición, donde

el dispositivo de medición de ángulo está configurado de manera que puede funcionar en un primer modo (I) y en un segundo modo (II), donde

en el primer modo (I) el sensor (2.11) de posición puede explorar la primera graduación (1.11) para determinar una primera posición angular (Pos 2.11), y

en el segundo modo (II) los captadores (2.21, 2.22, 2.23) de posición pueden explorar la primera graduación (1.11) o una graduación adicional (1.13) dispuesta en el elemento (1.1; 1.1') de escala, para determinar en cada caso una posición angular adicional (Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23), donde

se puede determinar una posición angular relativa entre los grupos (1, 2) de componentes, corregida (Pos I), basándose en la primera posición angular (Pos 2.11) y las posiciones angulares adicionales (Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23).

2. Dispositivo de medición de ángulo según la reivindicación 1, donde el segundo grupo (2) de componentes tiene una fuente (2.211) de luz y la primera graduación (1.11) y el sensor de posición (2.11) están conformados de manera que se puede determinar la posición angular relativa entre los grupos (1,2) de componentes a través de un principio óptico.

3. Dispositivo de medición de ángulo según una de las reivindicaciones precedentes, donde al menos dos de los captadores (2.20, 2.21,2.22, 2.23) de posición están dispuestos desplazados en un ángulo central en torno al eje (A) de rotación de al menos 90°.

4. Dispositivo de medición de ángulo según una de las reivindicaciones precedentes, donde al menos tres captadores (2.20, 2.21, 2.22, 2.23) de posición están dispuestos a lo largo de una línea circular.

5. Dispositivo de medición de ángulo según una de las reivindicaciones precedentes, donde el elemento (1.1') de escala tiene una graduación adicional (1.13) y el elemento (1.1') de escala está conformado de manera que la primera graduación (1.11) puede ser explorada según un principio óptico y la graduación adicional (1.13) según un principio magnético.

6. Dispositivo de medición de ángulo según una de las reivindicaciones precedentes, donde el segundo grupo (2) de componentes comprende una carcasa (2.4), y el sensor (2.11) de posición y también los captadores (2.20, 2.21,2.22, 2.23) de posición están dispuestos dentro de la carcasa (2.4).

7. Dispositivo de medición de ángulo según una de las reivindicaciones precedentes, donde los primer, segundo y tercer captadores (2.21, 2.22, 2.23) de posición pueden explorar la primera graduación (1.11) o una graduación adicional (1.13) dispuesta en el elemento (1.1; 1.1') de escala, para determinar un desplazamiento del elemento (1.1; 1.1'; 1.1'') de escala en un plano (P).

8. Método de funcionamiento de un dispositivo de medición de ángulo, que comprende un primer grupo (1) de componentes, un segundo grupo (2) de componentes y un cojinete (3), donde los grupos (1,2) de componentes están dispuestos de manera que pueden girar uno con respecto a otro en torno a un eje (A) de rotación por el cojinete (3), donde

- el segundo grupo (2) de componentes tiene una primera unidad estructural (2.1) que tiene un sensor (2.11) de posición,

tiene una segunda unidad estructural (2.2), que tiene varios captadores (2.20, 2.21, 2.22, 2.23) de posición, y

tiene un acoplamiento (2.3) de compensación, donde

el sensor (2.11) de posición y los captadores (2.20, 2.21, 2.22, 2.23) de posición están dispuestos respectivamente frente al elemento (1.1; 1.1') de escala con un espacio de aire,

la primera unidad estructural (2.1) está conectada a la segunda unidad estructural (2.2) con ayuda del acoplamiento (2.3) de compensación, de manera rígida a la torsión pero flexible axial y radialmente, de modo que el sensor (2.11) de posición está dispuesto de manera rígida a la torsión pero flexible axial y radialmente con respecto a los varios captadores (2.20, 2.21,2.22, 2.23) de posición, donde

el dispositivo de medición de ángulo puede funcionar en un primer modo (I) y en un segundo modo (II), donde en el primer modo (I) el sensor (2.11) de posición explora la primera graduación (1.11) para determinar una primera posición angular (Pos 2.11), y

en el segundo modo (II) los captadores (2.20, 2.21, 2.22, 2.23) de posición exploran la primera graduación (1.11) o una graduación adicional (1.13) dispuesta en el elemento (1.1; 1.1') de escala, para determinar en cada caso una posición angular adicional (Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23), donde

se determina una posición angular relativa entre los grupos (1,2) de componentes, corregida (Pos I), basándose en la primera posición angular (Pos 2.11) y las posiciones angulares adicionales (Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23).

9. Método según la reivindicación 8, donde a partir de las posiciones angulares adicionales (Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23) determinadas en el segundo modo (II) se genera un valor (KII) de corrección que se emplea en el primer modo (I), junto con la primera posición angular medida (Pos 2.11), para generar la posición angular relativa corregida (Pos I).

10. Método según la reivindicación 8 o 9, donde basándose en las posiciones angulares adicionales medidas (Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23) se determina un valor (KII) de corrección y se almacena.

11. Método según la reivindicación 8, 9 o 10, donde en el segundo modo (II) se hace girar el elemento (1.1; 1.1') de escala en torno al eje (A) de rotación al menos 360°, en particular al menos 720°.

12. Método según la reivindicación 8, 9, 10 u 11, donde se hace funcionar el dispositivo de medición de ángulo secuencialmente en el primer modo (I) y en el segundo modo (II).

13. Método según la reivindicación 8, 9, 10, 11 o 12, donde se hace funcionar el dispositivo de medición de ángulo simultáneamente en el primer modo (I) y en el segundo modo (II).

14. Método según la reivindicación 8, 9, 10, 11, 12 o 13, donde los primer, segundo y tercer captadores (2.21, 2.22, 2.23) de posición exploran la primera graduación (1.11) o una graduación adicional (1.13) dispuesta en el elemento (1.1; 1.1') de escala, para determinar en cada caso una posición angular adicional (Pos 2.20, Pos 2.21, Pos 2.22, Pos 2.23) y se determina un desplazamiento, resultante de ello, del elemento (1.1; 1.1'; 1.1'') de escala en un plano (P).

15. Método según la reivindicación 8, 9, 10, 11, 12, 13 o 14, donde los cuarto, quinto y sexto captadores (2.24, 2.25, 2.26) de posición exploran la segunda graduación (1.12) para determinar una posición axial del elemento (1.1) de escala.