WO2008003366A1 - Winkelmesseinrichtung - Google Patents

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WO2008003366A1
WO2008003366A1 PCT/EP2007/004125 EP2007004125W WO2008003366A1 WO 2008003366 A1 WO2008003366 A1 WO 2008003366A1 EP 2007004125 W EP2007004125 W EP 2007004125W WO 2008003366 A1 WO2008003366 A1 WO 2008003366A1
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WO
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component
groove
angle measuring
seal
measuring device
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/004125
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Mitterreiter
Friedrich Ruech
Johann Lahr
Andreas Kotschenreuther
Original Assignee
Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Dr. Johannes Heidenhain Gmbh filed Critical Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
Publication of WO2008003366A1 publication Critical patent/WO2008003366A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • G01D5/34746—Linear encoders
    • G01D5/34761—Protection devices, e.g. caps; Blowing devices
    • G01D5/34769—Sealing means

Definitions

  • the invention relates to an angle measuring device with two components rotatable relative to each other according to the preamble of claim 1.
  • Such angle measuring devices are used for measuring rotational movements of a shaft over one or more revolutions. The rotational movement is detected either incrementally or absolutely, the output measured value is dependent on a sequence of counts a counter value or a code word.
  • linear movements can also be measured with such angle measuring devices.
  • Angular measuring devices are used in particular for machine tools or machining centers both for the measurement of linear and rotary movements. The determination of the angle of rotation to just a few angular seconds is for example crucial for rotary tables or swivel heads of machine tools, C-axes of lathes but also in printing units of printing presses. Such angle measuring devices are frequently used in places where comparatively rough environmental conditions prevail. Thus, the penetration of lubricating oil or coolant is a failure of angle measuring devices in operation on machine tools or machining centers.
  • the invention is based on the object to provide an angle measuring device of the type mentioned, which is extremely robust and therefore in rough ambient conditions can be used, even if comparatively rough tolerances of the machine parts to be measured are given.
  • the angle measuring device on two relatively rotatable about an axis components. Furthermore, the angle measuring device comprises a dividing disk arranged on the first component and a scanning unit which is arranged on the second component for scanning the dividing disk.
  • the angle measuring device for sealing a gap between the components comprises a seal.
  • at least one of the components has a groove which runs perpendicular to the axis, wherein the seal is designed such that a first region of the seal is supported within the groove on opposite walls of the groove. The walls of the groove thus run in geometric planes, which are each cut orthogonally from the axis.
  • the first region of the seal which is intended for the arrangement within the groove, in the relaxed state, a greater axial extent, as the axial extent of the groove.
  • the seal When installed, the seal is then axially biased in its first region, so that a defined sealing force, for. B. is also present when introduced into the angle measuring device vibrations.
  • the groove can be modified so that only one wall of the groove serves as the actual sealing surface, while the other wall of the groove is provided only for introducing the axial biasing forces. Accordingly, this wall can then also z. B. be configured interrupted over the circumference.
  • the groove can be realized as one or more separate ring elements on one of the components.
  • the first region of the seal which is intended for the arrangement within the groove, has two lips, wherein advantageously the lips are supported on different walls of the groove.
  • an annular region of the seal which represents the common origin of the lips, lie outside the groove.
  • the angle measuring device according to the invention can be designed so that only in the first component, a groove is incorporated or only in the second component.
  • designs are also advantageous in which one or more grooves are provided both in the first component and in the second component.
  • the seal may advantageously be designed so that it has at least four lips, of which a number of parts within the groove of the first component and a corresponding number of parts come to lie within the groove of the second component.
  • the angle measuring device comprises a flexible coupling, wherein the coupling is configured so that a relative displacement of the two components to each other in at least one direction with a component parallel to the axis is made possible, wherein the coupling is configured in the tangential direction very torsionally rigid.
  • the special design of the angle measuring device allows a relative axial movement of the two components, without thereby affecting the sealing effect of the seal would be. Accordingly, it is ensured that the pressing forces of the seal, which are perpendicular to the wall of the groove, are largely independent of the deflection of the compensating coupling. Accordingly, the tightness over the entire deflection of the clutch is guaranteed.
  • the resilient coupling is configured to permit relative displacement of the two components relative to each other in a direction having a radial component with respect to the axis, and the seal is radially displaceable relative to the opposing walls of the groove within the groove. This is particularly advantageous if the coupling allows compensating movements in both the axial and radial directions.
  • the seal has a flexurally soft second region, which is located outside the groove and in particular spatially curved, so that the second region has, for example, a curve or a circumferential curvature.
  • Spatially curved is a geometry that is curved in space. - A -
  • This embodiment permits axial and radial deformations of the seal, without appreciable forces being introduced into the effective sealing region (eg into the lips), which results in a secure seal.
  • these measures do not cause any noticeable fluctuations in the torque required for the relative rotation of the two components, regardless of the deformation of the seal, or regardless of the degree of deflection of the coupling. Especially in the case of the highly sensitive angle measuring devices, this behavior is important.
  • the first component which advantageously serves as a rotor and can be inside, can be provided with the groove.
  • existing liquid is conveyed away from the effective sealing surface by centrifugal forces.
  • the angle measuring device can be designed such that the first component is connected to the second component via a roller bearing.
  • a housing is assigned to the second component in addition to the scanning unit.
  • the scanning unit is axially rigid, but rotatable relative to the first component, connected to the first component, wherein the coupling connects the housing with the scanning unit such that a relative displacement of the scanning unit to the housing at least in one direction with a component parallel to the axis is possible.
  • the first component is arranged axially displaceable relative to the second component, but in particular also the scanning unit to the housing.
  • the seal for sealing a gap between the first component and the second component is applied to the first component and the housing according to this embodiment.
  • the coupling can be designed not only axially, but also radially elastic.
  • the scanning unit may be radially rigid, but rotatable relative to the first component, connected to the first component, wherein the coupling connects the housing with the scanning unit such that also a relative displacement of the scanning unit to the housing in a direction with a radial component , relative to the axis, is possible, wherein the seal is radially displaceable relative to the opposite walls of the groove within the groove.
  • the second component partially or completely wraps the first component (by 360 °), in which case the seal is fastened in a rotationally fixed manner to the second component lying on the outside, while the seal can slide on at least one sealing surface of the inner first component.
  • centrifugal forces act in such a way that contaminants, in particular liquids are conveyed away from the sealing surface.
  • comparatively low demands are made with respect to its hardness to the region of the second component to which the seal is fixed, since shrinkage of the seal is not possible here.
  • the first component is often designed as a shaft or hollow shaft, which is anyway made of hard material for other reasons, so that there is a shrinkage of the seal in the sliding surface without further additional measures is prohibited.
  • FIG. 1 is a partial sectional view through the angle measuring device
  • Figure 2 is a detail view of a groove of the angle measuring device
  • 3a shows a sectional view through a seal of the angle measuring device
  • Figure 3b detail drawing of a lip of the seal.
  • FIG. 1 shows a partial longitudinal section through an angle measuring device.
  • the angle measuring device comprises a first component, which can be referred to as a rotor 1 in the illustrated embodiment.
  • the rotor 1 is rotatable about an axis A relative to a second component, wherein the second component is configured here as a stator 2.
  • One component of the rotor 1 is a hollow shaft 1.2, the hollow cylindrical interior of which is provided for the rotationally fixed reception of a shaft to be measured.
  • On the rotor 1, or on the hollow shaft 1.2 is still a dividing disk 1.1, on which an angle scaling is applied attached.
  • a circumferential groove 1.21 on its circumference is incorporated.
  • This groove 1.21 has, according to the figure 2, two parallel, opposite and orthogonal to the axis A aligned walls 1.211 and is bounded radially by the groove base 1.212.
  • the axial distance, relative to the axis A, of the walls 1.211 has the extension N.
  • On the hollow shaft 1.2 which is made of hard steel, moreover, an inner ring of a rolling bearing 5 is attached.
  • the stator 2 comprises a housing 2.1, which consists of two parts, wherein both parts have frontally grooves or channels 2.11, as described in the patent EP 1245932 B1 of the applicant. Through the holes 2.12, the two parts of the housing 2.1 are rigidly screwed together, with an O-ring 6 is provided for the sealing of the joint surface hen.
  • the housing 2.1 is usually fixed rigidly to the measuring operation on a machine part.
  • housing 2.1 there is a so-called scanning unit 2.2, which comprises an LED 2.22, a condenser 2.23, a scanning 2.24 and a scanning 2.21.
  • the serving as a light source LED 2.22 sends light through a condenser 2.23 and then through the partition plate 1.2. Then the light penetrates through a graduated line Scanning plate 2.24.
  • the LED 2.22 of the condenser 2.23 and the scanning 2.24 are assigned to the stator 2 of the angle measuring device.
  • the dividing disk 1.1 as already mentioned, attached to the rotatable hollow shaft 1.2.
  • the dividing disk 1.1 is able to modulate the incident light by its angle scaling in accordance with the angular position of the hollow shaft 1.2.
  • the modulated light then passes through the patterned scanning plate 2.24 before striking photodetectors (not shown in the figures) of the scanning board 2.21. This produces photoelectric signals which contain the information about the angular position of the hollow shaft 1.2.
  • the photoelectrically generated signals are further processed by electronic components on the scanning 2.21.
  • the processed position signals are finally output via a cable to another device, eg. B. to a control device of a machine.
  • a part of a coupling 3 is firmly connected by a screw connection. Furthermore, another part of the clutch 3 is also fixed to the scanning unit 2.2. The outer ring of the rolling bearing 5 is also fixed to the scanning unit 2.2.
  • the shaft to be measured and the machine part to which the housing 2.1 is rigidly mounted are not exactly aligned with each other.
  • a shaft to be measured can be rigidly and non-rotatably mounted in the hollow shaft 1.2 of the angle measuring device, while the housing 2.1 can be attached firmly to the machine part, because it will be through the coupling 3 within the allowable tolerances of the radial and axial offset and eccentricities balanced.
  • a seal 4 is provided in each case.
  • the seal 4 essentially consists of three areas 4.1, 4.2, 4.3.
  • the first region 4.1 is the region which is introduced into the groove 1.21.
  • the seal 4 has two lips 4.1 1, 4.12 (see also FIG. 3b).
  • the axial extent of the seal 4 that is, the outer dimension, in the first region 4.1 is the size Z.
  • the second region 4.2 comprises an annular region 4.21, which represents the common origin of the two lips 4.11, 4.12 and which comes to lie outside the groove 1.21. Furthermore, the second area 4.2 of the gasket 4 to assign a bow 4.22, which is flexible due to its small wall thickness and its spatially curved configuration.
  • the third region 4.3 of the seal 4 serves for sealing contact with the stator 2, in particular with the housing 2.1.
  • the sealing surface 4.32 is provided.
  • the seal 4 is rotatably connected to the stator 2.
  • the seal 4 is sufficiently stiff, or can generate sufficient pressure force, an L-shaped steel ring 4.31 is provided within the seal 4 in the third region 4.3.
  • Each seal 4 is mounted in the angle measuring device so that it is each biased fixed to the housing 2.1.
  • the opposing lips 4.11, 4.12 are then in the groove 1.21 and slide during operation of the angle measuring device along the walls 1.211, 1.212 of the respective groove 1.21.
  • the lips 4.11, 4.12 are always biased in such a way that they press against the walls 1.211 of the groove 1.21. This is also ensured if the hollow shaft 1.2 is axially offset relative to the housing 2.1, that is, if the coupling 3 is deflected axially as a result of axial compensation movements. As a result of the axial pressure forces, it is in principle already ensured by the respective outer lip 4.12 that no contamination, such as lubricating or cooling fluid, is introduced into the interior of the angle measuring device. can penetrate. This behavior is also supported by the fact that the respective outer lip 4.12 above the bottom of the groove 2.11 is located when the angle measuring device is arranged so that the relevant end face of the housing 2.1 facing upward.
  • the annular area 4.21 which represents the common origin of the two lips 4.11, 4.12, comes to lie outside the groove 1.21, so that an optimized bending property of the lips 4.11, 4.12 is given. Especially with angle measuring devices, it is important that the space must be kept as low as possible. Thus, it is advantageous if the groove is not designed unnecessarily deep. On the other hand, the sealing effect can be increased if the lips 4.11, 4.12 do not fall below a certain minimum length.
  • the inner lips 4.11 of the seals 4 are used with respect to the sealing function in the embodiment shown only for additional security. Accordingly, in a modification of the embodiment, an arrangement can be selected in which the inner lips 4.1 1 can not fulfill any actual sealing function, but essentially serve only the axial bias within the groove 1.21.
  • the coupling 3 is configured such that it permits radial compensating movements as a result of eccentricities or radial misalignment.
  • the lips 4.11, 4.12 are arranged in the groove 1.21 so that they lie in the relaxed state of the coupling 3 radially approximately in the middle of the walls 1.21 1, 1.212. In this way, the lips 4.11, 4.12 can move radially inwardly or outwardly, if this is dictated by the compensatory movements, without the lips 4.11, 4.12 lose contact with the serving as sealing surfaces parallel walls 1.211, 1.212 or would be unfavorably deformed.
  • the special design of the second region 4.2 of the seal 4 also serves to optimize the sealing function. Due to the flexurally soft configuration in conjunction with the spatially curved geometry, it is possible that the sealing effect does not occur over the second region 4.2 of the gasket disturbing deformations in the lips 4.11, 4.12 be initiated, even if the clutch 3 performs compensating movements.
  • the new angle measuring device makes it possible, in particular, to reliably and accurately measure angular positions between a machine part and a shaft rotating relative thereto, even if comparatively large permissible tolerances for their radial and axial offset and for their eccentricity are permitted.
  • tolerances can now be accepted, which are larger by about a factor of two.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung mit einem ersten Bauteil (1) und einem zweiten Bauteil (2), welche relativ zueinander um eine Achse (A) drehbar sind. Am ersten Bauteil (1) ist eine Teilungsscheibe (1.1) angeordnet, während sich am zweiten Bauteil (2) eine Abtasteinheit (2.2) zum Abtasten der Teilungsscheibe (1.1) befindet. Eine elastische Kupplung (3) ist so konfiguriert, dass eine relative Verschiebung der beiden Bauteile (1, 2) zueinander in einer Richtung mit einer Komponente parallel zur Achse (A) ermöglicht ist. Zur Abdichtung eines Spaltes zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) ist an der Winkelmesseinrichtung eine Dichtung (4) vorgesehen. Das erste Bauteil (1) und / oder das zweite Bauteil (2) weist eine senkrecht zur Achse (A) umlaufende Nut (1.21) auf, wobei die Dichtung (4) derart ausgestaltet ist, dass sich ein erster Bereich (4.1) der Dichtung (4) innerhalb der Nut (1.21) an gegenüberliegenden Wänden (1.211) der Nut (1.21) abstützt.

Description

Winkelmesseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung mit zwei relativ zueinander drehbaren Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Derartige Winkelmesseinrichtungen dienen zur Messung von Drehbewe- gungen einer Welle über eine oder mehrere Umdrehungen. Die Drehbewegung wird dabei entweder inkremental oder absolut erfasst, der ausgegebene Messwert ist abhängig davon eine Folge von Zählimpulsen ein Zählerwert oder ein Codewort. In Verbindung mit Zahnstangen oder Gewindespindeln lassen sich mit derartigen Winkelmesseinrichtungen auch lineare Be- wegungen messen. Winkelmesseinrichtungen werden insbesondere bei Werkzeugmaschinen beziehungsweise Bearbeitungszentren sowohl für die Messung von linearen als auch rotatorischen Bewegungen eingesetzt. Die Bestimmung der Drehwinkel auf nur wenige Winkelsekunden genau ist beispielsweise für Rundtische oder Schwenkköpfe von Werkzeugmaschinen, C- Achsen von Drehmaschinen aber auch bei Druckwerken von Druckmaschinen von entscheidender Bedeutung. Derartige Winkelmesseinrichtungen werden häufig an Stellen eingesetzt, wo vergleichsweise raue Umgebungs- bedingen vorherrschen. So ist das Eindringen von Schmieröl oder Kühlflüssigkeit eine Ausfallursache von Winkelmesseinrichtungen im Betrieb an Werkzeugmaschinen beziehungsweise Bearbeitungszentren.
Aus der Patentschrift EP 1245932 B1 der Anmelderin ist eine Winkelmesseinrichtung bekannt, die Rillen als radial nach außen führende Kanäle im Gehäuse aufweist, mit dem Ziel ein Eindringen von Verschmutzungen, insbesondere von Flüssigkeiten, in das Innere der Winkelmesseinrichtung zu vermeiden. Eine ideale Dichtfunktion dieser Anordnung setzt jedoch enge Toleranzen bezüglich Fluchtungsfehlern (axialer und radialer Versatz) und zulässigen Exzentrizitäten der zu messenden Maschinenteile voraus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Winkelmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die überaus robust ist und daher in rauen Umgebungsbedingungen einsetzbar ist, selbst wenn vergleichsweise grobe Toleranzen der zu messenden Maschinenteile vorgegeben sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Winkelmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demnach weist die Winkelmesseinrichtung zwei relativ zueinander um eine Achse drehbare Bauteile auf. Ferner umfasst die Winkelmesseinrichtung eine am ersten Bauteil angeordnete Teilungsscheibe und eine Abtasteinheit, die am zweiten Bauteil angeordnet ist, zum Abtasten der Teilungsscheibe. Zudem umfasst die Winkelmesseinrichtung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen den Bauteilen eine Dichtung. Dabei weist zumindest eines der Bauteile eine senkrecht zur Achse umlaufende Nut auf, wobei die Dichtung derart ausgestaltet ist, dass sich ein erster Bereich der Dichtung innerhalb der Nut an gegenüberliegenden Wänden der Nut abstützt. Die Wände der Nut verlaufen also in geometrischen Ebenen, welche von der Achse jeweils orthogonal geschnitten werden.
Mit Vorteil weist der erste Bereich der Dichtung, welcher für die Anordnung innerhalb der Nut bestimmt ist, im entspannten Zustand eine größere axiale Ausdehnung auf, als die axiale Ausdehnung der Nut. Im eingebauten Zustand ist dann die Dichtung in ihrem ersten Bereich axial vorgespannt, so dass eine definierte Dichtkraft, z. B. auch bei in die Winkelmesseinrichtung eingeleiteten Vibrationen vorliegt. Die Nut kann dabei so modifiziert werden, dass nur eine Wand der Nut als eigentliche Dichtfläche dient, während die andere Wand der Nut lediglich zum Einleiten der axialen Vorspannkräfte vorgesehen ist. Entsprechend kann diese Wand dann auch z. B. über dem Umfang unterbrochen ausgestaltet sein. Ferner kann die Nut als ein oder mehrere separate Ringelemente an einem der Bauteile realisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Bereich der Dichtung, welcher für die Anordnung innerhalb der Nut bestimmt ist, zwei Lippen auf, wobei sich mit Vorteil die Lippen an unterschiedlichen Wänden der Nut abstützen. Dabei kann ein Ringbereich der Dichtung, welcher den gemeinsamen Ursprung der Lippen darstellt, außerhalb der Nut liegen. Die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass nur im ersten Bauteil eine Nut eingearbeitet ist oder nur im zweiten Bauteil. Alternativ dazu sind aber auch Bauarten vorteilhaft, bei denen sowohl im ersten Bauteil als auch im zweiten Bauteil eine oder mehrere Nuten vorgesehen sind. Gerade bei letztgenannter Variante kann die Dichtung mit Vorteil so ausgestaltet sein, dass diese mindestens vier Lippen aufweist, von denen eine Teilanzahl innerhalb der Nut des ersten Bauteils und eine entsprechende Teilanzahl innerhalb der Nut des zweiten Bauteils zu liegen kommt.
In vorteilhafter Weise umfasst die Winkelmesseinrichtung eine elastische Kupplung, wobei die Kupplung so konfiguriert ist, dass eine relative Verschiebung der beiden Bauteile zueinander zumindest in einer Richtung mit einer Komponente parallel zur Achse ermöglicht ist, wobei die Kupplung in tangentialer Richtung überaus drehsteif ausgestaltet ist. Die spezielle Bauweise der Winkelmesseinrichtung lässt eine relative axiale Bewegung der beiden Bauteile zu, ohne dass dadurch die Dichtwirkung der Dichtung beeinträchtigt wäre. Entsprechend ist so sichergestellt, dass die zur Wand der Nut senkrechten Andrückkräfte der Dichtung weitgehend unabhängig von der Auslenkung der ausgleichenden Kupplung sind. Entsprechend ist die Dichtigkeit über dem gesamten Auslenkbereich der Kupplung gewährleistet.
Mit Vorteil ist die elastische Kupplung so konfiguriert, dass eine relative Verschiebung der beiden Bauteile zueinander in einer Richtung mit einer radialen Komponente, bezogen auf die Achse, ermöglicht ist, und die Dichtung relativ zu den gegenüberliegenden Wänden der Nut innerhalb der Nut radial verschieblich ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Kupplung Ausgleichsbewegungen sowohl in axialer als auch radialer Richtung ermöglicht.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dichtung einen biegeweichen zweiten Bereich aufweist, der sich außerhalb der Nut befindet und insbe- sondere räumlich gekrümmt ausgestaltet ist, so dass der zweite Bereich beispielsweise einen Bogen bzw. eine umlaufende Wölbung aufweist. Unter räumlich gekrümmt ist eine im Raum gekrümmte Geometrie zu verstehen. - A -
Diese Ausgestaltung erlaubt axiale und radiale Verformungen der Dichtung, ohne dass dabei merkliche Kräfte in den wirksamen Dichtbereich (z. B. in die Lippen) eingeleitet würden, was eine sichere Abdichtung zur Folge hat. Hinzu kommt, dass durch diese Maßnahmen keine merklichen Schwankungen des für die relative Drehung der beiden Bauteile erforderlichen Drehmoments auftreten, unabhängig von der Verformung der Dichtung, bzw. unabhängig vom Grad der Auslenkung der Kupplung. Gerade bei den hochempfindlichen Winkelmesseinrichtungen ist dieses Verhalten wichtig.
Das erste Bauteil, welches mit Vorteil als Rotor dient und innen liegen kann, kann mit der Nut versehen sein. Dadurch wird vorhandene Flüssigkeit durch Zentrifugalkräfte von der wirksamen Dichtfläche weg befördert.
Des Weiteren kann die Winkelmesseinrichtung so ausgestaltet sein, dass das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil über ein Wälzlager verbunden ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem zweiten Bauteil zusätzlich zur Abtasteinheit ein Gehäuse zugeordnet. Dabei ist die Abtasteinheit axial starr, aber relativ zum ersten Bauteil drehbar, mit dem ersten Bauteil verbunden, wobei die Kupplung das Gehäuse mit der Abtasteinheit derart verbindet, dass auch eine relative Verschiebung der Abtasteinheit zum Gehäuse zumindest in einer Richtung mit einer Komponente parallel zur Achse ermöglicht ist. Somit ist nicht nur das erste Bauteil axial zum zweiten Bauteil verschieblich angeordnet, sondern insbesondere auch die Abtasteinheit zum Gehäuse. Die Dichtung zur Abdichtung eines Spaltes zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil liegt gemäß dieser Ausgestaltung am ersten Bauteil und am Gehäuse an.
Entsprechend kann die Kupplung nicht nur axial, sondern auch radial elastisch ausgestaltet sein. In diesem Fall kann die Abtasteinheit radial starr, aber relativ zum ersten Bauteil drehbar, mit dem ersten Bauteil verbunden sein, wobei die Kupplung das Gehäuse mit der Abtasteinheit derart verbindet, dass auch eine relative Verschiebung der Abtasteinheit zum Gehäuse in einer Richtung mit einer radialen Komponente, bezogen auf die Achse, er- möglicht ist, wobei die Dichtung relativ zu den gegenüberliegenden Wänden der Nut innerhalb der Nut radial verschieblich ist.
Mit Vorteil umschleißt das zweite Bauteil das erste Bauteil teilweise oder vollständig (um 360°), wobei dann die Dichtung drehfest am außen liegen- den zweiten Bauteil befestigt ist, während die Dichtung an zumindest einer Dichtfläche des innen liegenden ersten Bauteils gleiten kann. Dadurch wirken Zentrifugalkräfte in der Weise, dass Verschmutzungen, insbesondere Flüssigkeiten von der Dichtfläche weg gefördert werden. Darüber hinaus sind an den Bereich des zweiten Bauteils, an welchem die Dichtung fixiert ist, vergleichsweise geringe Anforderungen bezüglich dessen Härte gestellt, da ein Einlaufen der Dichtung hier nicht möglich ist. Dagegen ist das erste Bauteil häufig als Welle oder Hohlwelle ausgestaltet, die aus anderen Gründen ohnehin aus hartem Material hergestellt ist, so dass dort ein Einlaufen der Dichtung in der Gleitfläche ohne weitere Zusatzmaßnahmen unterbun- den ist.
Wenn die Teilungsscheibe mit Hilfe eines optischen Prinzips abgetastet wird, werden höchste Genauigkeiten bei der Bestimmung der betreffenden Winkelstellung erreicht. Allerdings sind Winkelmesseinrichtungen, die nach diesem Prinzip arbeiten gegenüber Verschmutzungen vergleichsweise empfind- lieh. Unter anderem aus diesen Gründen ist es besonders vorteilhaft, wenn die neue Winkelmesseinrichtung dieses Prinzip aufweist.
Zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen die:
Figur 1 eine Teil-Schnittdarstellung durch die Winkelmesseinrichtung, Figur 2 eine Detailansicht einer Nut der Winkelmesseinrichtung, Figur 3a eine Schnittdarstellung durch eine Dichtung der Winkelmesseinrichtung, Figur 3b Detailzeichnung einer Lippe der Dichtung.
In der Figur 1 ist ein Teil-Längsschnitt durch eine Winkelmesseinrichtung dargestellt. Die Winkelmesseinrichtung umfasst ein erstes Bauteil, das im vorgestellten Ausführungsbeispiel als Rotor 1 bezeichnet werden kann. Der Rotor 1 ist um eine Achse A relativ zu einem zweiten Bauteil drehbar, wobei das zweite Bauteil hier als Stator 2 ausgestaltet ist.
Eine Komponente des Rotors 1 ist eine Hohlwelle 1.2, deren hohlzylindri- scher Innenraum zur drehfesten Aufnahme einer zu messende Welle vorgesehen ist. Am Rotor 1 , bzw. an der Hohlwelle 1.2 ist weiterhin eine Teilungsscheibe 1.1 , auf der eine Winkelskalierung aufgebracht ist, befestigt. Ferner ist in die zum Rotor 1 gehörende Hohlwelle 1.2 eine über deren Umfang umlaufende Nut 1.21 eingearbeitet. Diese Nut 1.21 weist, gemäß der Figur 2 zwei parallele, einander gegenüberliegende und orthogonal zur Achse A ausgerichtete Wände 1.211 auf und wird radial durch den Nutgrund 1.212 begrenzt. Der axiale Abstand, bezogen auf die Achse A, der Wände 1.211 hat die Ausdehnung N. An der Hohlwelle 1.2, welche aus hartem Stahl gefertigt ist, ist überdies ein Innenring eines Wälzlagers 5 befestigt.
Der Stator 2 umfasst ein Gehäuse 2.1 , das aus zwei Teilen besteht, wobei beide Teile stirnseitig Rillen bzw. Kanäle 2.11 aufweisen, wie sie in der Patenschrift EP 1245932 B1 der Anmelderin beschrieben sind. Durch die Bohrungen 2.12 werden die beiden Teile des Gehäuses 2.1 starr miteinander verschraubt, wobei ein O-Ring 6 für die Abdichtung der Fügefläche vorgese- hen ist. Das Gehäuse 2.1 wird in der Regel für den Messbetrieb an einem Maschinenteil starr fixiert.
Im Gehäuse 2.1 befindet sich eine so genannte Abtasteinheit 2.2, welche eine LED 2.22, einen Kondensor 2.23, eine Abtastplatte 2.24 und eine Abtastplatine 2.21 umfasst. Die als Lichtquelle dienende LED 2.22, sendet Licht durch einen Kondensor 2.23 und danach durch die Teilungsscheibe 1.2. Sodann durchdringt das Licht eine mit einer Strichteilung versehene Abtastplatte 2.24. Die LED 2.22 der Kondensor 2.23 und die Abtastplatte 2.24 sind dabei dem Stator 2 der Winkelmesseinrichtung zugeordnet. Dagegen ist die Teilungsscheibe 1.1 , wie bereits erwähnt, an der drehbaren Hohlwelle 1.2 befestigt. Die Teilungsscheibe 1.1 vermag durch ihre Winkel- Skalierung das eingestrahlte Licht entsprechend der Winkelstellung der Hohlwelle 1.2 zu modulieren. Das modulierte Licht durchdringt dann die strukturierte Abtastplatte 2.24 bevor es auf Fotodetektoren (in den Figuren nicht dargestellt) der Abtastplatine 2.21 trifft. Dadurch entstehen fotoelektrische Signale, welche die Information über die Winkelstellung der Hohlwelle 1.2 enthalten. Die fotoelektrisch erzeugten Signale werden durch elektronische Bauteile auf der Abtastplatine 2.21 weiterverarbeitet. Die weiterverarbeiteten Positionssignale werden schließlich über ein Kabel an ein weiteres Gerät ausgegeben, z. B. an eine Steuerungseinrichtung einer Maschine.
Mit dem Gehäuse 2.1 ist ein Teil einer Kupplung 3 durch eine Schraubver- bindung fest verbunden. Weiterhin ist ein anderer Teil der Kupplung 3 auch an der Abtasteinheit 2.2 festgelegt. Der Außenring des Wälzlagers 5 ist e- benfalls an der Abtasteinheit 2.2 fixiert. In der Praxis sind die zu messende Welle und das Maschinenteil, an dem das Gehäuse 2.1 starr montiert ist, nicht exakt zueinander ausgerichtet. Unter Verwendung der Kupplung 3 kann eine zu messende Welle starr und drehfest in die Hohlwelle 1.2 der Winkelmesseinrichtung montiert werden, während das Gehäuse 2.1 fest an dem Maschinenteil angebaut werden kann, denn es werden durch die Kupplung 3 innerhalb der zulässigen Toleranzen der radiale und axiale Versatz sowie Exzentrizitäten ausgeglichen. Das heißt, dass während einer Umdre- hung der Hohlwelle 1.2 Verbiegebewegungen in der Kupplung 3 stattfinden, und zwar sowohl in axialer als auch radialer Richtung, abhängig von den tatsächlich vorliegenden Fehlern. Die Ausgleichsbewegungen verursachen gleichermaßen axiale und radiale Relativbewegungen zwischen dem Gehäuse 2.1 und der Hohlwelle 1.2, so dass beispielsweise die Spaltbreite zwi- sehen dem Gehäuse 2.1 und der Hohlwelle 1.2 veränderlich ist. Zur Abdichtung der ringförmigen Spalte ist jeweils eine Dichtung 4 vorgesehen. Gemäß der Figur 3a besteht die Dichtung 4 im Wesentlichen aus drei Bereichen 4.1 , 4.2, 4.3. Der erste Bereich 4.1 ist derjenige Bereich, welcher in die Nut 1.21 eingeführt wird. In diesem ersten Bereich 4.1 weist die Dichtung 4 zwei Lippen 4.1 1 , 4.12 (siehe auch Figur 3b) auf. Im entspannten Zustand der Dichtung 4 beträgt die axiale Ausdehnung der Dichtung 4, also das Außenmaß, im ersten Bereich 4.1 die Größe Z.
Der zweite Bereich 4.2 umfasst einen Ringbereich 4.21 , welcher den gemeinsamen Ursprung der zwei Lippen 4.11 , 4.12 darstellt und der außerhalb der Nut 1.21 zu liegen kommt. Ferner ist dem zweiten Bereich 4.2 der Dich- tung 4 ein Bogen 4.22 zuzuordnen, welcher durch seine geringe Wandstärke und seine räumlich gekrümmte Ausgestaltung biegeweich ist.
Schließlich dient der dritte Bereich 4.3 der Dichtung 4 zum dichtenden Kontakt mit dem Stator 2, insbesondere mit dem Gehäuse 2.1. Hierfür ist die Dichtfläche 4.32 vorgesehen. Die Dichtung 4 ist dabei drehfest mit dem Sta- tor 2 verbunden. Damit die Dichtung 4 genügend steif ist, bzw. genügend Andruckkraft erzeugen kann, ist ein L-förmiger Stahlring 4.31 innerhalb der Dichtung 4 in deren dritten Bereich 4.3 vorgesehen.
Jede Dichtung 4 ist in der Winkelmesseinrichtung so montiert, dass diese jeweils vorgespannt am Gehäuse 2.1 festgelegt ist. Die einander gegenüber- liegenden Lippen 4.11 , 4.12 befinden sich dann in der Nut 1.21 und gleiten im Betrieb der Winkelmesseinrichtung entlang der Wände 1.211 , 1.212 der jeweiligen Nut 1.21.
Dadurch, dass die Dichtung 4 im entspannten Zustand eine größere axiale Ausdehnung Z aufweist als die axiale Ausdehnung N der Nut 1.21 , sind die Lippen 4.11 , 4.12 stets in der Weise vorgespannt, dass diese gegen die Wände 1.211 der Nut 1.21 drücken. Dies ist auch gewährleistet, wenn die Hohlwelle 1.2 relativ zum Gehäuse 2.1 axial versetzt ist, wenn also die Kupplung 3 axial in Folge axialer Ausgleichsbewegungen ausgelenkt ist. Infolge der axialen Andrückkräfte ist prinzipiell schon durch die jeweils au- ßen liegende Lippe 4.12 sichergestellt, dass keine Verschmutzung, wie Schmier- oder Kühlflüssigkeit in das Innere der Winkelmesseinrichtung ein- dringen kann. Unterstützt wird dieses Verhalten auch dadurch, dass die jeweils außen liegende Lippe 4.12 oberhalb des Grundes der Rille 2.11 liegt, wenn die Winkelmesseinrichtung so angeordnet ist, dass die betreffende Stirnseite des Gehäuses 2.1 nach oben weist.
Der Ringbereich 4.21 , welcher den gemeinsamen Ursprung der zwei Lippen 4.11 , 4.12 darstellt, kommt außerhalb der Nut 1.21 zu liegen, damit eine optimierte Biegeeigenschaft der Lippen 4.11 , 4.12 gegeben ist. Gerade bei Winkelmesseinrichtungen ist es wichtig, dass der Bauraum möglichst gering gehalten werden muss. Somit ist es von Vorteil, wenn die Nut nicht unnötig tief ausgestaltet ist. Andererseits kann die Dichtwirkung erhöht werden, wenn die Lippen 4.11 , 4.12 eine gewisse Mindestlänge nicht unterschreiten. Die inneren Lippen 4.11 der Dichtungen 4 dienen bezüglich der Dichtungsfunktion im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich zur zusätzlichen Sicherheit. Entsprechend kann in Abwandlung des Ausführungsbeispiels auch eine Anordnung gewählt werden, bei der die inneren Lippen 4.1 1 keine eigentliche Dichtfunktion erfüllen können, sondern im Wesentlichen nur der axialen Vorspannung innerhalb der Nut 1.21 dienen.
Durch die neue Gestaltung der Winkelmesseinrichtung ist aber auch eine optimale Dichtwirkung erreichbar, wenn, wie im gezeigten Ausführungsbei- spiel, die Kupplung 3 so ausgestaltet ist, dass diese radiale Ausgleichbewegungen in Folge von Exzentrizitäten oder Radialversatz ermöglicht. Zu diesem Zweck sind die Lippen 4.11 , 4.12 so in der Nut 1.21 angeordnet, dass diese im entspannten Zustand der Kupplung 3 radial etwa in der Mitte der Wände 1.21 1 , 1.212 liegen. Auf diese Weise können die Lippen 4.11 , 4.12 radial nach innen oder außen wandern, wenn dies durch die Ausgleichsbewegungen vorgegeben wird, ohne dass die Lippen 4.11 , 4.12 den Kontakt zu den als Dichtflächen dienenden parallelen Wänden 1.211 , 1.212 verlieren oder ungünstig verformt würden.
Die spezielle Ausbildung des zweiten Bereiches 4.2 der Dichtung 4 dient weiterhin zur Optimierung der Dichtfunktion. Durch die biegeweiche Ausgestaltung in Verbindung mit der räumlich gekrümmten Geometrie ist es gelungen, dass über den zweiten Bereich 4.2 der Dichtung keine die Dichtwirkung störenden Verformungen in die Lippen 4.11 , 4.12 eingeleitet werden, auch wenn die Kupplung 3 Ausgleichsbewegungen ausführt.
Durch die neue Winkelmesseinrichtung ist es insbesondere nunmehr möglich Winkelstellungen zwischen einem Maschinenteil und einer relativ dazu drehenden Welle zuverlässig und genau zu messen, selbst wenn vergleichsweise große zulässige Toleranzen für deren radialen und axialen Versatz sowie für deren Exzentrizität zugelassen werden. Somit können jetzt im Vergleich zu herkömmlichen Winkelmesseinrichtungen Toleranzen akzeptiert werden, die etwa um den Faktor zwei größer sind.

Claims

Patentansprüche
1. Winkelmesseinrichtung mit einem ersten Bauteil (1) und einem zweiten Bauteil (2), wobei die Bauteile (1 , 2) relativ zueinander um eine Achse (A) drehbar sind, umfassend eine am ersten Bauteil (1) angeordnete Teilungsscheibe (1.1), • eine Abtasteinheit (2.2), die am zweiten Bauteil (2) angeordnet ist, zum Abtasten der Teilungsscheibe (1.1 ), eine Dichtung (4) zur Abdichtung eines Spaltes zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) und / oder das zweite Bauteil (2) eine senkrecht zur Achse (A) umlaufende Nut (1.21) aufweist und die Dichtung (4) derart ausgestaltet ist, dass sich ein erster Bereich (4.1) der Dichtung (4) innerhalb der Nut (1.21) an gegenüberliegenden Wänden (1.211) der Nut (1.21) abstützt.
2. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (4.1) der Dichtung (4), welcher für die Anordnung innerhalb der Nut (1.21) bestimmt ist, im entspannten Zustand eine größere axiale Ausdehnung (Z) aufweist als die axiale Ausdehnung (N) der Nut (1.21).
3. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (4.1) der Dichtung (4), welcher für die Anordnung innerhalb der Nut (1.21) bestimmt ist, zwei Lippen (4.11 , 4.12) aufweist.
4. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Ringbereich (4.21) der Dichtung (4), welcher den gemeinsamen Ursprung der zwei Lippen (4.11 , 4.12) darstellt, außerhalb der Nut (1.21) liegt.
5. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine elastische Kupplung (3) umfasst, die so konfiguriert ist, dass eine relative Verschiebung der beiden Bauteile (1, 2) zueinander zumindest in einer Richtung mit einer Komponente parallel zur Achse (A) ermöglicht ist.
6. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine elastische Kupplung (3) umfasst, die so konfiguriert ist, dass eine relative Verschiebung der beiden Bauteile (1 , 2) zueinander in einer Richtung mit einer radialen Komponente, bezogen auf die Achse (A), ermöglicht ist, und die Dichtung (4) relativ zu den gegenüberliegenden Wänden (1.211) der Nut (1.21) innerhalb der Nut (1.21) radial verschieblich ist.
7. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) einen außerhalb der Nut (1.21) liegenden zweiten Bereich (4.2) aufweist, welcher biege- weich ausgestaltet ist.
8. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1 ) die Nut (1.21) aufweist.
9. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) mit dem zweiten Bauteil (2) über ein Wälzlager (5) verbunden ist.
10. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (2) zusätzlich zur Abtasteinheit (2.2) ein Gehäuse (2.1) umfasst, wobei die Abtasteinheit (2.2) axial starr mit dem ersten Bauteil (1) verbunden ist,
■ die Kupplung (3) das Gehäuse (2.1) mit der Abtasteinheit (2.2) derart verbindet, dass auch eine relative Verschiebung der Abtastein- heit (2.2) zum Gehäuse (2.1) in einer Richtung mit einer Komponente parallel zur Achse (A) ermöglicht ist, und die Dichtung (4) zur Abdichtung eines Spaltes zwischen dem ersten Bauteil (1) und dem zweiten Bauteil (2) am ersten Bauteil (1 ) und am Gehäuse (2.1) anliegt.
11. Winkelmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Abtasteinheit (2.2) radial starr mit dem ersten Bauteil (1) verbunden ist, und die Kupplung (3) das Gehäuse (2.1) mit der Abtasteinheit (2.2) derart verbindet, dass auch eine relative Verschiebung der Abtasteinheit (2.2) zum Gehäuse (2.1) in einer Richtung mit einer radialen Komponente, bezogen auf die Achse (A), ermöglicht ist, und die Dichtung (4) relativ zu den gegenüberliegenden Wänden
(1.211) der Nut (1.21) innerhalb der Nut (1.21) radial verschieblich ist.
12. Winkelmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungsscheibe (1.1) durch die Abtasteinheit (2.2) durch ein optisches Prinzip abtastbar ist.
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