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Die
Erfindung betrifft ein Winkelmesssystem zur Bestimmung der Winkellage
eines rotierenden Objektes, insbesondere einer motorisch angetriebenen
Welle einer Werkzeugmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Montage eines derartigen Winkelmesssystems
nach Anspruch 15.
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Ein
derartiges Winkelmesssystem (Winkelmesseinrichtung) umfasst eine
mit einer Messteilung versehene, das rotierende Objekt ringartig
umgebende Teilscheibe, die zur drehfesten Verbindung mit dem rotierenden
Objekt eingerichtet ist; eine der Teilscheibe zugeordnete, das rotierende
Objekt ebenfalls ringartig umgreifende Abtasteinheit, z.B. in Form einer
Abtastscheibe oder eines als Auswerteeinheit dienenden ASIC mit
integriertem Abtastgitter, die derart in einem definierten axialen
Abstand von der Teilscheibe und parallel zu dieser anzuordnen ist, dass
sie nicht gemeinsam mit dem rotierenden Objekt gedreht wird; eine
mit der Teilscheibe verbundene und parallel zu dieser erstreckte,
das rotierende Objekt ringartig umgreifende elektrisch leitende
(insbesondere metallische) Scheibe zur Erzeugung eines von der Dynamik
der Drehbewegung des rotierenden Objektes abhängigen Magnetfeldes; ein Sensorelement
zur Erfassung des von der elektrisch leitenden Scheibe bei der Drehung
des rotierenden Objektes erzeugten Magnetfeldes; sowie einen Befestigungsflansch,
der derart bezüglich des
rotierenden Objektes lagerbar ist, dass er das rotierende Objekt ringartig
umgreift und bei einer Drehung des Objektes nicht mitgenommen wird
und an dem das Sensorelement in einem definierten axialen Abstand
von der elektrisch leitenden Scheibe festlegbar ist.
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In
einem derartigen Winkelmesssystem dienen die mit einer Messteilung
versehene Teilscheibe und die in einem definierten axialen Abstand
zur Teilscheibe koaxial mit dieser angeordnete Abtastscheibe zur
Ermittlung der Winkellage und gegebenfalls (berechnet aus der zeitlichen Änderung
der Winkellage) der Geschwindigkeit des rotierenden Objektes, z. B.
einer motorisch angetriebenen Welle einer Werkzeugmaschine, indem
die auf der drehbaren Teilscheibe vorgesehene Messteilung unter
Verwendung der Abtastscheibe und weiterer Komponenten einer stationären Abtasteinrichtung
abgetastet wird. Die Verbindung zwischen der Teilscheibe und dem
rotierenden Objekt muss dabei nicht als direkte, unmittelbare Verbindung
ausgebildet sein; es ist auch eine indirekte, mittelbare Verbindung über weitere,
zwischengeschaltete Baugruppen realisierbar.
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Die
gemeinsam mit dem rotierenden Objekt drehbare elektrisch leitende
Scheibe sowie das zugeordnete Sensorelement bilden einen sogenannten Ferraris-Sensor
zur Ermittlung der Dynamik einer Drehbewegung des rotierenden Objektes,
d. h., insbesondere zur Bestimmung der Beschleunigung. Konkret kann
dieser Ferraris-Sensor beispielsweise so gestaltet sein, dass durch
zwei entgegengesetzt gerichtete, die elektrisch leitende Scheibe
durchsetzende statische Magnetfelder (Gleichfelder) bei einer Drehbewegung
des rotierenden Objektes in der elektrisch leitenden Scheibe Wirbelströme induziert
werden, die geschlossenen Strombahnen folgen und deren Betrag der
Winkelgeschwindigkeit der elektrisch leitenden Scheibe proportional
ist. Diese Wirbelströme
erzeugen wiederum ein Magnetfeld, welches mittels des der elektrisch
leitenden Scheibe zugeordneten Sensorelementes erfasst wird. Für weitere
Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktion eines nach dem Ferraris-Prinzip
arbeitenden Sensors sei beispielhaft auf die
EP 0 661 543 B1 verwiesen.
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Der
Ferraris-Sensor kann weiterhin zur Bestimmung der Geschwindigkeit
des rotierenden Objektes durch Integration des gemessenen Beschleunigungssignales verwendet
werden. Das hierdurch erhaltene Gewchwindigkeitssignal verläuft gleichmäßiger als
ein durch Ableitung der Winkellage nach der Zeit ermitteltes Signal.
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Bei
einer Winkelmesseinrichtung der eingangs beschriebenen Art ist es
erforderlich, einerseits den axialen Abstand (also den Abstand entlang der
Drehachse des rotierenden Objektes) zwischen der Abtasteinheit (Abtastscheibe)
und der Teilscheibe definiert einzustellen und andererseits auch
den axialen Abstand zwischen der elektrisch leitenden Scheibe und
dem Sensorelement definiert einzustellen, und zwar unter der Randbedingung,
dass die Teilscheibe und die elektrisch leitende Scheibe in der Regel
miteinander verbunden, d. h. zu einer Baugruppe zusammengefasst
sind.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Winkelmesssystem der eingangs
genannten Art sowie ein Verfahren zur Montage eines solchen Winkelmesssystems
zu schaffen, die die Einstellung definierter Abstände zwischen
Abtasteinheit und Teilscheibe einerseits sowie zwischen elektrisch
leitender Scheibe und zugeordnetem Sensorelement andererseits erleichtern.
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Dieses
Problem wird hinsichtlich des Winkelmesssystems durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Danach
weist der Befestigungsflansch eine in axialer Richtung durchgehende
Ausnehmung in Form einer Durchgangsöffnung auf, deren eine Stirnseite
der elektrisch leitenden Scheibe zugewandt und deren andere Stirnseite
der elektrisch leitenden Scheibe abgewandt ist. Hierdurch kann das
der elektrisch leitenden Scheibe zugeordnete Sensorelement von der
der elektrisch leitenden Scheibe abgewandten Stirnseite in jene
Ausnehmung eingeführt
und dann derart in der Ausnehmung platziert werden, dass es in einem
definierten axialen Abstand von der elektrisch leitenden Scheibe
angeordnet ist, und zwar auf deren von der Teilscheibe abgewandter
Seite.
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Eine
derartige Ausbildung des Befestigungsflansches mit einer axial durchgehenden
Aufnahmeöffnung
für das
Sensorelement ermöglicht
einen erheblich vereinfachten Zusammenbau des Winkelmesssystems.
Es können
nun zunächst
die Abtasteinheit sowie die Teilscheibe zusammen mit der daran befestigten
elektrisch leitenden Scheibe am Befestigungsflansch bzw. am rotierenden
Objekt angeordnet und dabei derart zueinander justiert werden, dass
ein vorgegebener Abstand zwischen Teilscheibe und Abtasteinheit
eingestellt ist. Hierdurch wird gleichzeitig auch die axiale Lage
der mit der Teilscheibe verbundenen elektrisch leitenden Scheibe festgelegt.
Anschließend
wird das der elektrisch leitenden Scheibe zugeordnete Sensorelement
von der der elektrisch leitenden Seite abgewandten Stirnseite der
durchgehenden Aufnahmeöffnung
des Befestigungsflansches her in diese eingeschoben und dann so
in dieser platziert, dass ein definierter, vorgegebener Abstand
zwischen der elektrisch leitenden Scheibe und dem zugeordneten Sensorelement
eingestellt ist. Hierzu kann beispielsweise eine Abstandsfolie verwendet
werden, deren Dicke dem einzustellenden Abstand zwischen Sensorelement
und elektrisch leitender Scheibe entspricht.
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Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht also
mit einfachen Mitteln eine prozesssichere separate Einstellung des
axialen Abstandes zwischen Teilscheibe und Abtasteinheit einerseits
sowie zwischen elektrisch leitender Scheibe und zugeordnetem Sensorelement
andererseits und erleichtert hierdurch den Zusammenbau des Winkelmesssystems erheblich.
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Die
eine durchgehende Aufnahmeöffnung bildende
Ausnehmung des Befestigungsflansches kann beispielsweise durch eine
Ausfräsung
des Befestigungsflansches gebildet sein.
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Das
zur Abtastung der elektrisch leitenden Scheibe vorgesehene Sensorelement
liegt nach Abschluss der Einstellung des axialen Abstandes zur elektrisch
leitenden Scheibe mit einem Endabschnitt im Bereich der der elektrisch
leitenden Scheibe zugeordneten Stirnseite der durchgehenden Ausnehmung und
ist dort der elektrisch leitenden Scheibe zugewandt. Der Abstand
zwischen diesem Endabschnitt des Sensorelementes und der gegenüberliegenden elektrisch
leitenden Scheibe bildet den maßgeblichen,
einzustellenden axialen Abstand zwischen Sensorelement und elektrisch
leitender Scheibe.
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Die
z.B. als Abtastscheibe ausgebildete Abtasteinheit des Winkelmesssystems
wird bevorzugt ebenso wie das Sensorelement an dem Befestigungsflansch
befestigt und ist durch einen offenen Ring gebildet, der im Bereich
des Sensorelementes unterbrochen ist. Die (scheibenförmige) Abtasteinheit
und die elektrisch leitende Scheibe sind – in axialer Richtung betrachtet – auf derselben
Seite der Teilscheibe angeordnet und liegen – in radialer Richtung bezüglich der
Drehachse des rotierenden Elementes betrachtet – nebeneinander, wobei die
Abtastscheibe die elektrisch leitende Scheibe in einer (parallel
zur Teilscheibe erstreckten) Ebene ringartig umgreift. Sowohl die
Befestigung der elektrisch leitenden Scheibe an der Teilscheibe
als auch die Befestigung des Sensorelementes an dem Befestigungsflansch
erfolgt bevorzugt stoffschlüssig
durch ein geeignetes Klebemittel.
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Ein
Verfahren zur Montage des erfindungsgemäßen Winkelmesssystems ist durch
die Merkmale des Anspruchs 15 charakterisiert.
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Danach
werden bei der Montage des Winkelmesssystems zunächst die Abtasteinheit sowie
die Teilscheibe zusammen mit der daran festgelegten elektrisch leitenden
Scheibe zueinander ausgerichtet und in einem definierten axialen
Abstand angeordnet. Anschließend
wird das der elektrisch leitenden Scheibe zugeordnete Sensorelement
auf der der elektrisch leitenden Scheibe abgewandten Stirnseite der
axial durchgehenden Ausnehmung des Befestigungsflansches in diese
eingeführt
und dann derart innerhalb der durchgehenden Ausnehmung positioniert,
dass es sich in einem definierten, vorgegebenen Abstand von der
zugeordneten elektrisch leitenden Scheibe befindet. Die Einstellung
des Abstandes zwischen elektrisch leitender Scheibe und zugeordnetem
Sensorelement erfolgt dabei bevorzugt mittels einer Abstandsfolie.
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Hierzu
wird die Abstandsfolie radial bezüglich der Drehachse des rotierenden
Objektes zwischen die elektrisch leitende Scheibe und das zugeordnete
Sensorelement geführt,
und zwar insbesondere unter Ausnutzung des Freiraumes, der durch eine
Ausbildung der Abtasteinheit als offener Ring mit einer Unterbrechung
im Bereich des Sensorelementes zur Verfügung gestellt wird.
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Sowohl
die Abtasteinheit als auch das der elektrisch leitenden Scheibe
zugeordnete Sensorelement werden bevorzugt am Befestigungsflansch
befestigt.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der Figuren deutlich werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine Winkelmesseinrichtung zur Bestimmung der
Winkellage sowie der Dynamik der Bewegung eines rotierenden Objektes;
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2 eine
Draufsicht auf eine Baugruppe der Winkelmesseinrichtung aus 1.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Winkelmesseinrichtung
dient zur Bestimmung der Winkellage sowie der Beschleunigung eines
rotierenden Objektes in Form einer um eine Drehachse A drehbaren
Welle W, z. B. einer motorisch angetriebenen Welle einer Werkzeugmaschine.
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Die
die Welle W ringartig umgreifende Winkelmesseinrichtung ist angeordnet
in einem durch eine ringartig ausgestaltete Kappe 6 und
durch einen ebenfalls ringartig ausgestalteten Boden 65 gebildeten
Gehäuse.
In diesem sind als wesentliche Komponenten der Winkelmesseinrichtung
eine mit einer Messteilung versehene, ringförmig ausgebildete Teilscheibe 1,
eine der Teilscheibe 1 zugeordnete, ebenfalls ringförmig ausgebildete
Abtasteinheit in Form einer Abtastscheibe 2 sowie eine
ringartige, aus Kupfer bestehende metallische Scheibe 3 und
ein der metallischen Scheibe 3 zugeordnetes Sensorelement 4 angeordnet.
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Die
Teilscheibe 1 ist in axialer Richtung neben der dem Boden 65 gegenüberliegenden
Deckfläche 60 der
Kappe 6 angeordnet und trägt auf ihrer in axialer Richtung
a der Kappe 6 abgewandten Seite die Kupferscheibe 3,
die an der der Deckfläche 60 der
Kappe 6 abgewandten Oberfläche der Teilscheibe 1 durch
ein Klebemittel stoffschlüssig
befestigt ist. Die Teilscheibe 1 und die Kupferscheibe 3 umschließen die
Welle W vollständig
und sind drehfest mit dieser verbunden, so dass sie bei einer Drehbewegung der
Welle W um die Drehachse A gemeinsam mit dieser rotieren.
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Die
Abtastscheibe 2 ist auf der der Deckfläche 60 der Kappe 6 abgewandten
Seite der Teilscheibe 1 in einem definierten axialen Abstand
von dieser angeordnet und liegt dabei teilweise in einer Ebene mit
der Kupferscheibe 3, und zwar derart, dass die Abtastscheibe 2 die
Kupferscheibe 1 in einer senkrecht zur Drehachse A erstreckten
Ebene umgreift.
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Die
Abtastscheibe 2 ist an einem die Welle W ringartig umgreifenden
Befestigungsflansch 5 befestigt, der über ein Lager 50 derart
bezüglich
der Welle W gelagert ist, dass er sich bei einer Drehbewegung der
Welle W nicht gemeinsam mit dieser dreht, sondern vielmehr eine
konstante Winkellage beibehält (ortsfeste
Anordnung des Befestigungsflansches 5).
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Die
Abtastscheibe 2 bildet einen offenen Ring, der sich in
Umfangsrichtung von einem ersten Ende 21 zu einem zweiten
Ende 22 erstreckt, so dass zwischen den beiden Enden 21, 22 der
Abtastscheibe 2 ein Freiraum geschaffen ist, in dessen
Bereich ein der Kupferscheibe 3 zugeordnetes Sensorelement 4 angeordnet
ist. Dieses Sensorelement 4 umfasst in axialer Richtung
a hintereinander angeordnete Komponenten in Form einer Magnetplatte 40 sowie
hierauf (in Umfangsrichtung betrachtet) im Wechsel angeordnete Magnete 41 und
Spulen 42, die der Kupferscheibe 3 in einem definierten
axialen Abstand unmittelbar gegenüberliegen, und zwar auf der
der Teilscheibe 1 abgewandten Seite der Kupferscheibe 3.
Das Sensorelement ist in einer in axialer Richtung a durchgehenden
Ausnehmung 55 in Form einer durch eine Ausfräsung gebildeten
Durchgangsöffnung
des Befestigungsflansches 5 mit einer der elektrisch leitenden
Scheibe 3 zugewandten und einer dieser Scheibe 3 abgewandten
Stirnseite angeordnet und dort über
seine Magnetplatte 40 durch ein Klebemittel stoffschlüssig mit
dem Befestigungsflansch 5 verbunden.
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Weiterhin
ist das Sensorelement 4 über elektrische Leiter in Form
eines Flexleiters 70 mit einer zwischen der Deckfläche 60 der
Kappe 6 und der Teilscheibe 1 erstreckten Platine 7 verbunden,
so dass vom Sensor 4 erzeugte Signale zur weiteren Verarbeitung über den
Flexleiter 70 an jene Platine 7 weitergeleitet
werden können.
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Bei
dem anhand der 1 und 2 dargestellten
Winkelmesssystem dienen die drehfest mit der Welle W verbundene
und mit einer Messteilung versehene Teilscheibe 1 sowie
die einem definierten axialen Abstand von der Teilscheibe 1 angeordnete und
mit dem Befestigungsflansch 5 verbundene Abtastscheibe 2 in
bekannter Weise zur Ermittlung der Winkellage der Welle W bei einer
Drehbewegung. Hierzu wird die Messteilung der Teilscheibe 1 in
bekannter Weise mittels einer zugeordneten Abtasteinheit, z. B.
lichtelektrisch, abgetastet. Zur Erläuterung des bekannten, zugrunde
liegenden Messprinzips sei beispielhaft auf das Fachbuch von Alfons
Ernst: Digitale Längen-
und Winkelmesstechnik, Landsberg/Lech (1998) verwiesen.
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Die
Kupferscheibe 3 und das zugeordnete magnetische Sensorelement 4 bilden
einen sogenannten Ferraris-Sensor, der der Erfassung der Dynamik
einer Drehbewegung der Welle W um ihre Achse A dient, also insbesondere
einen Beschleunigungssensor. Hierbei werden durch die von den Magneten 41 erzeugten
statischen magnetischen Felder (Gleichfelder) in der die Welle W
drehfest umgreifenden metallischen Kupferscheibe 3 bei
einer Drehbewegung der Welle W Wirbelströme erzeugt, deren Betrag der
Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung proportional ist. Diese Wirbelströme erzeugen wiederum
ein von ihrem Betrag abhängiges
Magnetfeld, das durch das zugeordnete Sensorelement 4 mitttels
der Spulen 42 gemessen wird. Die hierbei erzeugten Ausgangssignale
des Sensors 4 werden über
den Flexleiter 70 zur weiteren Verarbeitung an die zugeordnete
Platine 7 weitergeleitet.
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Die
Montage der in den 1 und 2 dargestellten
Messeinrichtung, insbesondere der der Winkelmessung sowie Beschleunigungsmessung dienenden
Komponenten der Winkelmesseinrichtung, ist dadurch erheblich vereinfacht,
dass zur Aufnahme des die Kupferscheibe 3 abtastenden Sensorelementes 4 eine
in axialer Richtung a durchgehende Ausnehmung (Ausfräsung) in
dem Befestigungsflansch 5 vorgesehen ist.
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Hierdurch
kann die Montage der der Winkel- und Beschleunigungsmessung dienenden
Komponenten 1, 2, 3, 4 der Winkelmesseinrichtung
in zwei separaten, aufeinander folgenden Schritten erfolgen, wobei
im ersten Schritt insbesondere der axiale Abstand zwischen Teilscheibe 1 und
Abtastscheibe 2 und im zweiten Schritt der axiale Abstand
zwischen Kupferscheibe 3 und Sensorelement 4 eingestellt wird.
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Hierzu
werden zunächst
einerseits die Abtastscheibe 2 und andererseits die Teilscheibe 1 zusammen
mit der hieran befestigten Kupferscheibe 3 montiert, und
zwar in der Weise, dass die Teilscheibe 1 und die Kupferscheibe 3 drehfest
an der Welle W befestigt sind und die Abtastscheibe 2 am
Befestigungsflansch 5 festgelegt ist. Dabei wird der axiale Abstand
zwischen der Teilscheibe 1 und der Abtastscheibe 2 auf
einen vorgegebenen, definierten Wert eingestellt, um eine präzise Winkelmessung
sicherzustellen. Anschließend
wird das der Kupferscheibe 3 zugeordnete Sensorelement 4 von
der der Kupferscheibe 1 abgewandten Stirnseite her in die
durchgehende Ausnehmung 55 des Befestigungsflansches 5 eingeführt, und
zwar so, dass die Magnete 41 und Spulen 42 des
Sensorelementes 4 der der Teilscheibe 1 abgewandten
Oberfläche
der Kupferscheibe 3 zugewandt sind. Das Sensorelement 4 wird
soweit in die durchgehende Ausnehmung 55 des Befestigungsflansches 5 eingeschoben,
bis ein definierter, vorgegebener axialer Abstand zwischen dem durch die
Magnete 41 und Spulen 42 gebildeten Endabschnitt
des Sensorelementes 4 und der gegenüberliegende Kupferscheibe 3 eingestellt
ist.
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Zur
Einstellung diesen axialen Abstandes wird bevorzugt eine Abstandsfolie
F verwendet, die wegen der Ausbildung der Abtastscheibe 2 als
offener Ring in radialer Richtung r in den durch die beiden Enden 21, 22 der
Abtastscheibe 2 begrenzten Freiraum zwischen den Magneten 41 und
Spulen 42 des Sensorelementes 4 einerseits sowie
der Kupferscheibe 3 andererseits eingefügt werden kann und deren Dicke
dem einzustellenden axialen Abstand entspricht. Nach Abschluss der
Einstellung des axialen Abstandes zwischen Sensorelement 4 und
Kupferscheibe 3 wird das Sensorelement 4 mit seiner Magnetplatte 40 unter
Verwendung eines Klebemittels stoffschlüssig in der durchgehenden Ausnehmung 55 des
Befestigungsflansches 5 fixiert.