DE10203278B4

DE10203278B4 - Kupplung und Winkelmessvorrichtung mit einer derartigen Kupplung

Info

Publication number: DE10203278B4
Application number: DE10203278A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing.(FH) Mitterreiter Johann; Dipl.-Ing. Feichtinger Kurt; Dipl.-Ing.(FH) Meyer Hermann
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2012-11-22
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: US20020148123A1; DE10203278A1; US6668464B2

Abstract

Kupplung zur verdrehsteifen, jedoch radial nachgiebigen Verbindung eines Stators (6) einer Winkelmessvorrichtung (1) mit einem Stator (9) eines Messobjektes, wobei in dem Stator der Winkelmesseinrichtung (1) eine Teilscheibe (3) über eine Lagerung (5) um eine Drehachse (D) drehbar gelagert ist, mit zwei diametral gegenüberliegenden und zumindest weitgehend parallel zueinander verlaufenden ersten Lenkern (31) und um 90° dazu versetzten zwei weiteren diametral gegenüberliegenden und zueinander und zu den ersten Lenkern (31) zumindest weitgehend parallel verlaufenden zweiten Lenkern (32), wobei die ersten und zweiten Lenker (31, 32) an einer gemeinsamen Basis (30) angeformt sind, und dass an den Enden der ersten oder zweiten Lenker (31, 32) Klemmbacken (16) angeordnet sind, die mittels eines Federelementes (12) miteinander verbunden sind, das zumindest weitgehend in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse (D) verläuft, wobei das Federelement (12), von einer ersten Position durch Aufbringen einer Knickkraft durch einen Knackpunkt in eine...

Description

Winkelmessvorrichtungen dienen dazu, die Winkelstellung, die Winkelgeschwindigkeit oder sonstige winkelabhängige Werte eines Rotors eines Messobjektes, insbesondere eines Motors zu bestimmen und für die Zwecke der Anzeige, Steuerung einer Werkzeugmaschine, Regelung oder anderweitige Auswertung zur Verfügung zu stellen.
Um Fluchtungsfehler beim Ankoppeln der Welle der Winkelmessvorrichtung an den Rotor und damit radiale Ausschläge des drehbaren Rotors auszugleichen, ist zwischen dem Stator der Winkelmessvorrichtung und dem stationären Messobjekt eine Kupplung angeordnet, welche den Stator der Winkelmessvorrichtung verdrehsteif jedoch radial und vorzugsweise auch axial nachgiebig mit dem stationären Messobjekt verbindet.
Eine derartige Winkelmessvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 195 21 845 C2 bekannt.
Bei der Winkelmessvorrichtung gemäß der DE 196 29 585 A1 wurde erkannt, dass es für bestimmte Anwendungen vorteilhaft ist, die Kupplung zwischen dem Stator und dem stationären Messobjekt im Bereich der Lagerung des Rotors anzuordnen. Der zur Verfügung stehende Anbauraum in diesem Bereich ist sehr begrenzt, so dass es in der Praxis Probleme bereiten kann, die Vorrichtung zum radialen Klemmen der Kupplung zu erreichen und zu betätigen.
Eine Winkelmessvorrichtung mit einer Kupplung zwischen dem Stator und dem stationären Messobjekt ist weiterhin in der DE 200 08 590 U1 beschrieben. Die Blattfederarme der Kupplung krallen sich durch äußeren Druck oder durch Federdruck aufgrund einer Verformung der Kupplung am stationären Objekt fest. Die Einleitung der Klemmkraft erfolgt durch axiales Verschieben der Winkelmessvorrichtung gegen das stationäre Messobjekt und die Klemmkraft ist direkt proportional zur axialen Relativlage beider Teile. Die Montage wird dadurch erschwert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung für eine Winkelmessvorrichtung anzugeben, die einfach zu montieren ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kupplung mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 2 gelöst.
Eine Winkelmessvorrichtung mit dieser Kupplung ist im Anspruch 4 und 5 angegeben.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Kupplung in der Nähe der Lagerung des Rotors der Winkelmessvorrichtung angebaut werden kann, und dass trotzdem die Kupplung unter beengten Einbauverhältnissen stabil und drehfest am stationären Objekt befestigt werden kann. Es ist eine stabile und platzsparende Montage möglich. Die zur sicheren Klemmung erforderliche Kraft wirkt während der Montage und des Betriebs zumindest nicht vollständig auf die Winkelmessvorrichtung.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den abhängigen Ansprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigt:
1 einen Querschnitt einer Winkelmessvorrichtung mit einer Kupplung in einer ersten Montagestellung,
2 die Winkelmessvorrichtung gemäß 1 im angebauten Zustand,
3 die Kupplung der Winkelmessvorrichtung gemäß den 1 und 2 perspektivisch dargestellt,
4 ein Beispiel eines Klemmbereichs der Kupplung,
5 ein weiteres Beispiel eines Klemmbereichs der Kupplung im Schnitt,
6 den Klemmbereich gemäß 5 in Draufsicht,
7 ein weiteres Beispiel eines Klemmbereichs der Kupplung,
8 ein weiteres Beispiel eines Klemmbereichs der Kupplung,
9 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Winkelmessvorrichtung mit einer Kupplung in einer ersten Montagestellung,
10 die Winkelmessvorrichtung gemäß 9 im angebauten Zustand, und
11 einen Ausschnitt der Kupplung gemäß 9 in Draufsicht.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 1 bis 3 dargestellt. Die Winkelmessvorrichtung 1 besteht aus einer Welle 2, an welcher eine eine Maßverkörperung 4 tragende Teilscheibe 3 angebracht ist. Die Welle 2 ist über eine Lagerung 5 im Stator 6 der Winkelmessvorrichtung 1 um die Drehachse D drehbar gelagert. Die Winkellage der Welle 2 relativ zum Stator 6 wird gemessen, indem die Maßverkörperung 4 in bekannter Weise von einer am Stator 6 angebrachten Abtasteinheit 7 abgetastet wird. Die Maßverkörperung 4 kann dabei ein optisch, magnetisch, kapazitiv oder induktiv abtastbares Muster in Form einer inkrementalen oder codierten Teilung sein.
Zur Messung der Winkellage eines um die Drehachse D drehbaren Rotors 8 gegenüber einem stationären Objekt 9 ist die Welle 2 drehstarr mit dem Rotor 8 zu verbinden. Ebenso ist der Stator 6 mit dem stationären Objekt 9 verdrehsteif zu verbinden. Im gezeigten Beispiel ist der Rotor die Welle 8 eines Elektromotors und das stationäre Objekt das Motorgehäuse 9.
Um Fluchtungsfehler zwischen der Welle 2 und der Welle 8 auszugleichen sowie Taumelbewegungen sowie axiale Verlagerungen der Welle 8 zu kompensieren wird der Stator 6 über eine verdrehsteife, jedoch radial und vorzugsweise auch axial elastisch ausgleichende Kupplung 10 am Motorgehäuse 9 montiert.
Bevor die Winkelmessvorrichtung 1 in den Montageraum 11, welcher vom Motorgehäuse 9 gebildet wird, eingebracht wird, wird die Kupplung 10 mit einem Verbindungsbereich starr am Stator 6 der Winkelmessvorrichtung 1 befestigt. Dies kann durch Schrauben erfolgen, welche in Bohrungen 13 (3) der Kupplung 10 eingreifen. Die Befestigung kann auch durch Nieten, Kleben oder Schweißen erfolgen, die Kupplung 10 kann aber auch an den Stator 6 angeformt sein.
Die Winkelmessvorrichtung 1 wird danach mit der Kupplung 10 in den Montageraum 11 eingeschoben und axial (Richtung A) an die Motorwelle 8 herangeführt.
Bei diesem axialen Heranführen stößt die Kupplung 10 mit einer axial wirkenden Anschlagfläche 14 an eine quer zur Drehachse D verlaufende Anschlagfläche 15 des Motorgehäuses 9. Beim weiteren Heranführen der Winkelmessvorrichtung 1 wird eine Position erreicht, bei der die dem Motorgehäuse 9 zugeordneten Verbindungsbereiche 16 der Kupplung 10 sich sprungartig radial nach außen bewegen und sich an der rohrförmigen Umfangsfläche 17 des Motorgehäuses 9 verspreizen. Diese zweiten Verbindungsbereiche der Kupplung 10 werden nachfolgend als Klemmbacken 16 bezeichnet.
Dieses Umspringen der Klemmbacken 16 von einer ersten radialen Position in eine zweite radiale Position mit größerem radialen Abstand (Richtung R) wird durch eine gekrümmte Feder 12 erreicht, die durch einen Knackfrosch-Effekt von einer ersten Position in eine zweite Position umspringt.
Die zur radialen Klemmung der Kupplung 10 erforderliche Klemmkraft wird durch Zusammenwirken der beiden Anschlagflächen 14 und 15 nur eingeleitet, bis der Knackpunkt der die beiden Klemmbacken 16 verbindenden gekrümmten Feder 12 erreicht ist. Die dabei erforderliche Knickkraft wirkt entgegen der Bogenform der Feder 12. Während des Montageverfahrens ist somit nur die Knickkraft der gekrümmten Feder 12 aufzubringen. Nach dem Umspringen und Überwinden des Knackpunktes der Feder 12 wirkt auf die Winkelmessvorrichtung 1 keine von der radialen Klemmkraft abhängige axiale Kraft mehr. Die radiale Klemmkraft wird von der blattförmigen Feder 12 ausgeübt, die sich vorteilhafterweise nach dem Umknicken im Mittenbereich axial am Motorgehäuse 9 abstützt und dadurch nicht in eine zweite Ruhelage umspringen kann, sondern in einer Position gehalten wird, in der diese die maximale Spreizkraft in radialer Richtung ausübt. Die Feder 12 und die Welle 2 bzw. der Rotor 8 sind derart dimensioniert, dass die Feder 12 in der Montagestellung gemäß 2 die Welle 2 und den Rotor 8 nicht berührt.
Während der Montage stützt sich die Feder 12 im Mittenbereich vorteilhafterweise am Stator 6 oder an einem Absatz 20 der Welle 2 zum Aufbringen der Knickkraft in axialer Richtung A ab.
Das Umspringen der Klemmbacken 16 von einer ersten radialen Position in eine zweite radiale Position durch Zusammenwirken der Anschlagflächen 14 und 15 beim Einschieben der Winkelmessvorrichtung 1 in den Montageraum 11 ist besonders vorteilhaft. Das Umspringen kann aber auch in nicht dargestellter Weise durch ein von außen herangeführtes Betätigungswerkzeug eingeleitet werden.
In 3 ist die Kupplung 10 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Die Kupplung 10 besteht aus einer Basis 30 mit zwei rechtwinkelig umgebogen, zueinander parallel und zur Drehachse D parallel zueinander verlaufenden Lenkern 31, welche an den Stator 6 angeschraubt werden können. An der Basis 30 sind zwei weitere zumindest weitgehend parallel zueinander verlaufende Lenker 32 angeformt, wobei diese weiteren Lenker 32 rechtwinkelig zur Basis 30 verlaufen und auch rechtwinkelig zu den ersten Lenkern 31. An den Enden der weiteren Lenker 32 sind die Klemmbacken 16 zur verdrehsteifen Befestigung mit dem Motorgehäuse 9 ausgebildet. Diese Kupplung 10 ist vorteilhafterweise einstückig als Stanz-Biegeteil aus Federblech hergestellt. Zueinander parallel verlaufenden Lenker 31 bzw. 32 bilden jeweils eine Parallelführung in radialer Richtung R.
Die Basis 30 und/oder die Laschen 31, 32 können auch fachwerkartig gemäß der EP 0 762 081 B1 ausgestaltet sein.
Die beiden Klemmbacken 16 sind mittels der blattförmigen Feder 12 miteinander verbunden. Diese Feder 12 ist bogenförmig gekrümmt, so dass sie von dieser gekrümmten Ruheposition als Ausgangslage in eine zweite davon abweichende Lage umspringt, wenn eine Druckkraft auf sie ausgeübt wird. Diese Druckkraft – auch Knickkraft genannt – muss so groß sein, dass ein Knackpunkt überwunden wird. Dieses Umspringen einer Feder ist auch als Knackfrosch-Effekt bekannt.
Die Klemmbacken 16 können verschiedenartig ausgeführt sein. Gemäß 4 sind sie derart ausgeführt, dass sie in einer spitz zulaufenden Nut 21 des Motorgehäuses 9 eingreifen. Gemäß 5 und 6 weisen die Klemmbacken 16 zusätzlich einen in Umfangsrichtung (Drehrichtung der Welle 2) wirkenden Formschluss mit dem Motorgehäuse 9 auf. Hierzu ist in jeder Klemmbacke 16 zumindest eine Ausnehmung 23 vorgesehen, in die ein Vorsprung in Form eines Stiftes 24 des Motorgehäuses 9 eingreift. Die Klemmbacken 16 stützen sich an den Stiften 24 und/oder an der rohrförmigen Umfangsfläche 17 radial klemmend ab. Die Ausnehmungen 23 sind radial nach innen sich verjüngend konisch geformt, so dass sich die Ränder der Ausnehmung 23 aufgrund der radialen Klemmkräfte spielfrei an die Stifte 24 drängen. Der Formschluss wirkt als Verdrehsicherung. Der Formschluss kann auch durch Vertiefungen am Motorgehäuse 9 gebildet sein, in die Vorsprünge der Klemmbacken 16 eingreifen.
Die Klemmbacken 16 gemäß 7 greifen ebenfalls in eine Nut 25 des Motorgehäuses 9 formschlüssig ein. An den Enden der Klemmbacken 16 sind die Haftreibung erhöhende Elemente 26, beispielsweise in Form eines Gummibelages angeordnet.
Die Klemmbacken 16 gemäß 8 sind als V-förmige Spreizelemente ausgeführt.
In den 9 bis 11 ist ein zweites Beispiel einer Winkelmessvorrichtung 1 mit einer Kupplung 10 dargestellt. Bezüglich des grundlegenden Aufbaus der Winkelmessvorrichtung 1 und der Kupplung 10 wird auf das vorhergehende Beispiel Bezug genommen. Die beiden Klemmbacken 16 sind mittels der blattförmigen Feder 12 miteinander verbunden. Diese Feder 12 ist eine bogenförmig gekrümmte Blattfeder bzw. Membrane, so dass sie sich von dieser gekrümmten vorgespannten Ruheposition als Ausgangslage in eine zweite davon abweichende Lage verlagert, insbesondere durch ausknicken umspringt. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Beispiel ist die gekrümmte Ruheposition der Feder 12 durch zumindest einen Stift 27 der Welle 2 vorgegeben. Die Feder 12 ist also durch den Stift 27 in axialer Richtung gekrümmt vorgespannt. In dieser in 9 dargestellten Position wird die Winkelmessvorrichtung 1 mit der daran befestigten Kupplung 10 in den Montageraum 11 eingeschoben und die Welle 2 mit der Welle 8 drehfest verbunden. Danach wird die Vorspannung der Feder 12 aufgehoben, wodurch diese in eine zweite Position umspringt und die zwei sich radial gegenüberliegenden Klemmbacken 16 radial nach außen bewegen und sich mit der Umfangsfläche 17 drehstarr verklemmen. Die Aufhebung der Vorspannung der Feder 12 erfolgt durch Verdrehen der Welle 2 (in der Draufsicht in 11 schematisch dargestellt), bis der daran befestigte Stift 27 eine Aussparung 29 der Feder 12 erreicht und eine axiale Bewegung der Feder 12 zulässt. Diese dadurch erreichte Endstellung der Feder 12 und der Klemmbacken 16 ist in 10 dargestellt. Eine Demontage erfolgt dadurch, dass die Winkelmessvorrichtung 1 mit der daran befestigten Kupplung 10 aus dem Montageraum 11 gezogen wird -evtl. mit einem Hilfswerkzeug- und dabei die Feder 12 mit an der Welle 2 angeordneten Anschlägen 28 in Kontakt kommt und sie dadurch axial ausbiegt, wodurch der radiale Abstand der Klemmbacken 16 sich verringert und die Klemmbacken 16 mit der Umfangsfläche 17 außer Eingriff kommen.
Die Lenker 31, 32 sind bei allen Beispielen vorteilhafterweise radial auslenkbare Blattfedern.
Die erläuterten Klemmungen der Kupplung 10 können alternativ oder zusätzlich auch zwischen der Kupplung 10 und dem Stator 6 der Winkelmessvorrichtung 1 eingesetzt werden.
Die Kupplung 10 ist vorteilhafterweise platzsparend am wellenseitigen Ende der Winkelmessvorrichtung 1 angeordnet. Sie kann aber auch am anderen Ende an der Winkelmessvorrichtung befestigt sein.
Die kraft- und/oder formschlüssige drehsteife Verbindung der Wellen 2 und 8 kann mit bekannten Vorrichtungen durch Schrauben oder Spannzange erfolgen.

Claims

Kupplung zur verdrehsteifen, jedoch radial nachgiebigen Verbindung eines Stators (6) einer Winkelmessvorrichtung (1) mit einem Stator (9) eines Messobjektes, wobei in dem Stator der Winkelmesseinrichtung (1) eine Teilscheibe (3) über eine Lagerung (5) um eine Drehachse (D) drehbar gelagert ist, mit zwei diametral gegenüberliegenden und zumindest weitgehend parallel zueinander verlaufenden ersten Lenkern (31) und um 90° dazu versetzten zwei weiteren diametral gegenüberliegenden und zueinander und zu den ersten Lenkern (31) zumindest weitgehend parallel verlaufenden zweiten Lenkern (32), wobei die ersten und zweiten Lenker (31, 32) an einer gemeinsamen Basis (30) angeformt sind, und dass an den Enden der ersten oder zweiten Lenker (31, 32) Klemmbacken (16) angeordnet sind, die mittels eines Federelementes (12) miteinander verbunden sind, das zumindest weitgehend in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse (D) verläuft, wobei das Federelement (12), von einer ersten Position durch Aufbringen einer Knickkraft durch einen Knackpunkt in eine zweite Position ausknickt und dadurch die Kupplung (10) in der zweiten Position mittels der Klemmbacken (16) zumindest an einem der Statoren (6, 9) verdrehsteif klemmbar ist, indem der gegenseitige Abstand der Klemmbacken (16) in der ersten Position geringer ist als in der zweiten Position.
Kupplung zur verdrehsteifen, jedoch radial nachgiebigen Verbindung eines Stators (6) einer Winkelmessvorrichtung (1) mit einem Stator (9) eines Messobjektes, wobei in dem Stator der Winkelmesseinrichtung (1) eine Teilscheibe (3) über eine Lagerung (5) um eine Drehachse (D) drehbar gelagert ist, mit zwei diametral gegenüberliegenden und zumindest weitgehend parallel zueinander verlaufenden ersten Lenkern (31) und um 90° dazu versetzten zwei weiteren diametral gegenüberliegenden und zueinander und zu den ersten Lenkern (31) zumindest weitgehend parallel verlaufenden zweiten Lenkern (32), wobei die ersten und zweiten Lenker (31, 32) an einer gemeinsamen Basis (30) angeformt sind, und dass an den Enden der ersten oder zweiten Lenker (31, 32) Klemmbacken (16) angeordnet sind, die mittels eines Federelementes (12) miteinander verbunden sind, das zumindest weitgehend in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse (D) verläuft, wobei das Federelement (12) sich von einer ersten vorgespannten Position durch Lösen der Vorspannung in eine zweite Position verlagert und dadurch die Kupplung (10) in der zweiten Position mittels der Klemmbacken (16) zumindest an einem der Statoren (6, 9) verdrehsteif klemmbar ist, indem der gegenseitige Abstand der Klemmbacken (16) in der ersten Position geringer ist als in der zweiten Position.
Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lenker Blattfederarme (31, 32) sind.
Winkelmessvorrichtung mit einem Stator (6), an welcher eine Abtasteinheit (7) angebracht ist, und mit einer über eine Lagerung (5) im Stator (6) um eine Drehachse (D) gelagerte Welle (2), an welcher eine eine Maßverkörperung (4) tragende Teilscheibe (3) angebracht ist, zur Messung der Winkellage zwischen einem Stator (9) eines Messobjektes und einem hierzu um die Drehachse (D) drehbaren Rotor (8); mit einer Kupplung (10) zur verdrehsteifen, jedoch radial nachgiebigen Verbindung des Stators (6) mit dem Stator (9) des Messobjektes, mit zwei diametral gegenüberliegenden und zumindest weitgehend parallel zueinander verlaufenden ersten Lenkern (31) und um 90° dazu versetzten zwei weiteren diametral gegenüberliegenden und zueinander und zu den ersten Lenkern (31) zumindest weitgehend parallel verlaufenden zweiten Lenkern (32), wobei die ersten und zweiten Lenker (31, 32) an einer gemeinsamen Basis (30) angeformt sind, und dass an den Enden der ersten oder zweiten Lenker (31, 32) Klemmbacken (16) angeordnet sind, die mittels eines Federelementes (12) miteinander verbunden sind, das zumindest weitgehend in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse (D) verläuft, wobei das Federelement (12), von einer ersten Position durch Aufbringen einer Knickkraft durch einen Knackpunkt in eine zweite Position ausknickt und dadurch die Kupplung (10) in der zweiten Position mittels der Klemmbacken (16) zumindest an einem der Statoren (6, 9) verdrehsteif klemmbar ist, indem der gegenseitige Abstand der Klemmbacken (16) in der ersten Position geringer ist als in der zweiten Position.
Winkelmessvorrichtung mit einem Stator (6), an welcher eine Abtasteinheit (7) angebracht ist, und mit einer über eine Lagerung (5) im Stator (6) um eine Drehachse (D) gelagerte Welle (2), an welcher eine eine Maßverkörperung (4) tragende Teilscheibe (3) angebracht ist, zur Messung der Winkellage zwischen einem Stator (9) eines Messobjektes und einem hierzu um die Drehachse (D) drehbaren Rotor (8); mit einer Kupplung (10) zur verdrehsteifen, jedoch radial nachgiebigen Verbindung des Stators (6) mit dem Stator (9) des Messobjektes, mit zwei diametral gegenüberliegenden und zumindest weitgehend parallel zueinander verlaufenden ersten Lenkern (31) und um 90° dazu versetzten zwei weiteren diametral gegenüberliegenden und zueinander und zu den ersten Lenkern (31) zumindest weitgehend parallel verlaufenden zweiten Lenkern (32), wobei die ersten und zweiten Lenker (31, 32) an einer gemeinsamen Basis (30) angeformt sind, und dass an den Enden der ersten oder zweiten Lenker (31, 32) Klemmbacken (16) angeordnet sind, die mittels eines Federelementes (12) miteinander verbunden sind, das zumindest weitgehend in einer Ebene angeordnet ist, die senkrecht zur Drehachse (D) verläuft, wobei das Federelement (12) sich von einer ersten vorgespannten Position durch Lösen der Vorspannung in eine zweite Position verlagert und dadurch die Kupplung (10) in der zweiten Position mittels der Klemmbacken (16) zumindest an einem der Statoren (6, 9) verdrehsteif klemmbar ist, indem der gegenseitige Abstand der Klemmbacken (16) in der ersten Position geringer ist als in der zweiten Position
Winkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 5, wobei die Lenker Blattfederarme (31, 32) sind.
Winkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der zweiten Position des Federelementes (12) die Klemmbacken (16) an einer inneren rohrförmigen Umfangsfläche (17) einer Antriebseinheit (9) verspreizen.