专利名称：角度测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的角度测量系统。
背景技术：
这种角度测量系统用于测量机械部件(例如轴)的旋转运动或旋转位置。在 此，旋转运动以增量的方式或以绝对的方式获取，输出的测量值例如为一系列的计数脉 冲(Zahlimpuls)，计数值(Zahlerwert)或代码字(c。dew。rt)。相应的角度测量系统尤其 应用在电子构件制造中的所谓拿放机械(Pick-and-Place Maschine)中，或使用在工具 机中以用于测量旋转运动。例如在拿放机械中，机械部件的旋转角度精确地在仅数角秒 (Winkelsekunde)上的再现性或重复性具有重要意义。在工具机中，角度测量系统的测量结 果的绝对精度尤其是决定性的。已知这样的角度测量系统，即，该角度测量系统具有相对彼 此可旋转的构件的特有的支承。角度测量的精度基本上通过角度刻度(Winkelskalierimg)的品质、该角度 刻度的偏心率以及通过支承的径向跳动偏差(Rundlauf-Abweichung)或摆动误差 (Taumelfehler)所影响。在专利文件US 6 894 484中公开了带有角度测量器械的轴承，在该轴承中传感 器单元作为可更换模块可使用在外部环的贯通的圆柱形凹口中。该已知装置具有这样的缺点，即，根据该原则制造的角度测量系统达不到最高的 精度，对于许多应用不是足够地牢固并且此外需要相对多的构造空间。
发明内容
本发明的目的在于，实现一种牢固的角度测量系统，该角度测量系统尤其通过以 下方式而出众，即，在简单的结构下可实现非常精确工作的紧凑的角度测量系统。该目的通过根据权利要求1的角度测量系统得以实现。由此，角度测量系统包 括第一构件组和第二构件组，其中，第一构件组以相对于第二构件组可绕轴线旋转的方式 而支承。此外第一构件组具有带有工作面的环和角度刻度。第二构件组具有用于探测 (Abtastung)角度刻度的传感器以及带有电子线路(elektronischen Schaltung)的用于 评估可通过探测生成的传感器的信号的电路板。此外，第二构件组包括实心(massiv)环， 在该实心环处布置有另一工作面并且该实心环此外具有用于容纳电路板的第一凹口。此 外，第二构件组具有用于容纳电导体的第二凹口。电导体布置成相对于传感器隔开并且将 传感器与电子线路以电的方式连接。因此，将以腔室形的凹口直接引入(einarbeiten)到第二构件组的实心环中，其 中，凹口具有不同的体积或空间容量并且尤其地布置成连通的(zusammenMngend)。为 了优化环的强度凹口的几何形不同于圆柱形状。在本发明的其它设计方案中，第二构件组的环的第一凹口在平行于轴线方向上的 伸展大于第一凹口在周向方向上的伸展。尤其地，第一凹口在平行于轴线方向上的最大伸展大于第一凹口在周缘方向上的最大伸展。此外，工作面是这样的面或轨道，即，在角度测量系统的运行中滚动体 0Valzk0rper)沿着该面或轨道滚动。第一构件组的环的工作面从与轴线平行的视角上看 可构造成凸形，而第二构件组的环的工作面可构造成凹形。根据角度测量系统的优选的结构，第一构件组的环在径向上位于内部且那么也可 称为内部环，而第二构件组的环在该情况下在径向上布置在外部并且可定义为外部环。第二构件组的环具有轴向外部尺寸，该外部尺寸有利地为第二构件组的环的第一 凹口在平行于轴线方向上的伸展的至少1.5倍。尤其地，所涉及环的轴向外部尺寸可为第 二构件组的环的第一凹口在平行于轴方向上的伸展的至少1. 75倍或至少2倍。有利地，第二构件组的环具有用于容纳传感器的第三凹口。尤其考虑到角度测量系统的干扰不敏感性的结构，第二构件组的环有利地设计为 金属环、尤其为钢环。在本发明的改进方案中，相应地基于平行于轴线的方向，第一凹口的伸展大于第 二凹口的伸展。这尤其地适用于第二凹口的相应的最大伸展。电导体可具有带有不同外部尺寸的截面，例如矩形截面，该矩形截面自然具有两 个不同的棱边长作为相应的外部尺寸。在此，较大的外部尺寸布置在平行于轴线的方向上。 同样的考虑也可例如应用于带有椭圆形截面的导体。第一凹口可如此地设计，S卩，电路板可在径向上、尤其在朝向轴线的方向上插入到 第一凹口中。尤其地，第一凹口则在第二构件组的环的外周缘处具有开口。此外，第三凹口 可如此地设计，即，传感器可在远离(wegfilhrend)轴线的方向上径向向外地插入到第三凹 口中。相应地，第三凹口则可在第二构件组的环的内圆缘处具有开口。有利地，传感器尤其只有在第一构件组、第二构件组以及滚动体组装之前才可安 装在第二构件组处。尤其地，电导体同样可在第一构件组、第二构件组以及滚动体组装之前 安装在第二构件组处。根据本发明的其它方面，角度测量系统包括第一构件组、第二构件组以及传感器， 其中，第一构件组以相对于第二构件组可绕轴线旋转的方式支承。在此，第一构件组具有带 有工作面且带有角度刻度的环。第二构件组具有带有另一工作面的另一个环和用于探测角 度刻度的传感器。在第一和第二构件组的工作面之间布置有滚动体。角度刻度以如此方式 施加，即，取决于工作面和/或滚动体的径向跳动偏差，第一区域中的角度刻度的几何图案 (Muster)与第二区域中的角度刻度的几何图案有偏差。因此，角度测量系统的角度刻度的几何图案此外取决于在角度测量系统中分别存 在的工作面和/或滚动体的单独尺寸或尺寸偏差。角度刻度可施加在第一构件组的部件上，其中，该部件则可作为单独构件(例如 作为分度环(Teilimgsring))与环抗扭地连接，但或者也可设计为第一构件组的环的结合 的组成部分。例如，后者适用以下情况，即，角度刻度直接施加在环上。有利地，第二构件组的环具有径向贯通的开口，通过该开口可施加角度刻度。在 此，开口可如此地设计，即，该开口具有轴向伸展，该伸展达到小于第二构件组的环的轴向 外部尺寸的1/3，尤其小于1/5。有利地，角度刻度布置在分度环的柱面侧(Mantelseite)。柱面侧的概念可理解为圆柱形的表面或周缘面，该圆柱形的表面或周缘面绕360°闭合或只为周缘面的一部分。 角度刻度则可以平行于轴线的方向分量而取向。角度刻度和传感器可例如设立成用于磁性的、电感的或电容的探测。角度刻度通常包括带有不同磁极化的区域。那么，在这种情况下磁性区域以平行 于轴线的方向分量取向，以使得北极和南极类似地作为磁性分度线(Teilimgsstrich)在 周缘方向上交替。尤其地，例如当应由角度刻度可直接得出待测量的轴的绝对角度位置，角 度刻度还可由多个磁道(Spur)制成。相对于角度刻度基本上轴向取向备选地或者补充地，角度刻度也可以径向方向分 量取向。在这种情况下，角度刻度的至少一部分端侧地施加到第一构件组的相关部件上。在本发明的其它设计方案中，角度刻度施加在第一构件组的部件、尤其是分度环 上，该分度环由可磁化的材料制成。在本发明的有利的改进方案中，分度环可由带有至少 lkA/m的矫顽场强度的硬磁材料制成。有利地，矫顽场强度达到在10kA/m和60kA/m之间、 尤其在25kA/m和45kA/m之间。作为传感器例如可采用MR传感器或霍尔传感器。当第一构件组和第二构件组以及滚动体如此地设计，即第一构件组和第二构件组 轴向上和/或径向上布置成彼此无间隙，则可实现角度测量系统的特别好的测量精度。有利地，第一和第二构件组分别具有两个工作面，在这些工作面之间分别布置有 滚动体。角度刻度以及开口(通过该开口可施加角度刻度)则可轴向上布置在该工作面之 间。有利地，角度测量系统如此地设计，S卩，其最大轴向伸展达到小于角度测量系统的 最大外部半径的40 %，尤其是小于30 %。此外，有利的是，角度测量系统具有用于容纳待测 量的轴的相对大的开口，其中，开口的半径有利地达到角度测量系统的最大外部半径的至 少50%，尤其是至少60%。该开口例如通过内部环的内部直径限制，同时外部环的外部半 径为角度测量系统的外部半径。根据发明的角度测量系统的有利的实施形式可从从属于权利要求1的权利要求 中的措施中得出。
借助于附图从下面对实施例的描述中得出根据发明的角度测量系统的其它的优 点以及细节。其中图1显示了穿过角度测量系统的部分截面视图，图2显示了带有角度刻度的角度测量系统的环的部分俯视图，图3显示了穿过角度测量系统的截面示图，图4a显示了角度测量系统的部分的俯视图，图4b显示了角度测量系统的部分区域的侧视图。
具体实施例方式根据图1，根据本发明的角度测量系统包括第一构件组1和第二构件组2，其中，在介绍的实施例中第一构件组1作为转子并且第二构件组2作为定子。第一构件组1包括环， 该环在当前实施例中称为内部环1. 1。相应地另一个环(该环与第二构件组2相关联)在 此称为外部环2. 1。在用于制造角度测量系统的新方法中，首先制造内部环1. 1和外部环2. 1。在此， 最初以切屑加工的方式(spanabtragend)相对粗糙地加工出外形。外部环2. 1的轴向外部 尺寸Z(见图4b)在当前实施例中达到70mm。此外，将径向取向的开口 2. 15(此处为圆柱形 孔的形式)引入到外部环2.1中。开口 2. 15的轴向伸展ζ或孔的直径此处达到10mm，以使 得因此此处得到比例ζ/Ζ为1/7。此外，在该制造阶段中，将空腔引入到外部环2. 1中，该空 腔包括三个腔室或三个凹口 2. 11，2. 12，2. 13。在此，径向最外的凹口 2. 11具有最大的体 积。另一个位于内部的凹口 2. 12连接两个相邻的凹口 2. 11和2. 13。在另一个步骤中在内部环1.1和外部环2.1处通过研磨工艺(Lappprozess)分别 产生精细加工的工作面1. 14，2. 14。那么，在其它安装过程中，首先使传感器2. 2 (例如MR传感器)安装有电导体 2. 4 (此处为外部环2. 1中的柔性导体)。电导体2. 4具有矩形截面并且由此具有不同的外 部尺寸B，d。在此，厚度d相比于宽度B相对小。在安装中，电导体2. 4由外部环2. 1的内 侧起被插入到第三凹口 2. 13中，其中，电导体2. 4的较大的外部尺寸B在平行于轴线A方 向上布置。此后，传感器2. 2和电导体2. 4径向向外运动，直至传感器2. 2置于第三凹口 2. 13中并且电导体2. 4穿过第二凹口 2. 12突出到第一凹口 2. 11中。因此，相应地如此地 设计第三凹口 2. 13，S卩，传感器2.2可在远离轴线A的方向上插入到凹口 2. 11。接着，径向向外拉动电导体2. 4的端部，以使得端部处于外部环2. 1之外。那么， 在该位置中，电导体2. 4的端部与电路板2. 3上的电联结件2. 32相连接。在电路板2. 3上 存在多个电子构件，其中包括带有电子线路2. 31的用于评估传感器2. 2的信号的构件。第一凹口 2. 11径向向外敞开，即如此地设计，即，电路板2. 3可在朝向轴线A的方 向上插入到第一凹口 2. 11中。因此，相应地电路板2. 3插入到第一凹口 2. 11中并且然后 固定在第一凹口 2. 11中。在此，电路板2.3如此地定位，S卩，该电路板2.3平行于轴线A取 向，即电路板2. 3的平面平行于轴线A。此外，在内部环1. 1的外周缘上安装有分度环1. 2。该分度环1. 2由硬磁材料(此 处为带有约38kA/m的矫顽场强度的铁钴铬合金)制成。分度环1. 2在该阶段不具有角度 刻度2. 11或不具有分度图案(Teilimgsmuster)。此后，现在如此地组装内部环1. 1 (连同分度环1. 2)和外部环2. 1以及滚动体3， 即，使得滚动体3布置在两个工作面1. 14和2. 14之间。由于内部环1. 1、滚动体3以及外 部环2. 1的几何尺寸，在内部环1. 1和外部环2. 1之间产生径向和轴向的预紧力。由此建 立了这样的组件，在该组件中，第一构件组1可相对于第二构件组2绕轴线A旋转，其中，构 件组1，2通过轴向和径向预紧力在轴向和径向上布置成彼此无间隙。通过以下方式(S卩，由实心外部环2. 1围绕在第一凹口 2. 11中的带有电子线路 2. 31的电路板2. 3)，提供了对于电磁干扰的优化保护。这也同样适用于在第二凹口 2. 12中 的电导体2. 4和在第三凹口 2. 13中的传感器2. 2。就此而言应注意的是，通过精密地制造外 部环2. 1、滚动体3以及内部环1. 1实现了外部环2. 1和内部环1. 1之间的最小空隙，这有 利地引起了电磁干扰不敏感性。为了进一步提升电磁干扰不敏感性，第一凹口 2. 11可在外
7侧利用罩盖、尤其是利用金属罩盖闭合。此外，第一凹口 2. 11和如有必要的话同样第二和 第三凹口 2. 12，2. 13填充有合适的灌浆材料(Vergussmaterial)。线缆抽头(Kabelabgang) 例如可实现穿过罩盖中的孔，以用于角度测量系统和后续电子器件(Folgeelektronik)之 间的电连接。到目前安装的单元现在固定在分度机(Teilimgsmaschine)上。分度机用于将角 度刻度1. 21 (图2)施加到分度环1. 2上。分度机包括轴和定子块，在该定子块处固定有磁 写头。在使用空气轴承的情况下，定子块和轴可相对彼此旋转。此外，特别准确的角度测量 器械属于分度机，该角度测量器械用于精确地确定轴相对于定子块的角度位置。在施加角度刻度1. 21之前，首先将内部环1. 1抗扭地固定在分度机的轴处。同样 地外部环2. 1也固定在定子块处。因此，在该安装状态下轴的旋转引起了内部环1. 1的旋 转和由此同样引起了分度环1. 2的旋转。此后，磁写头被插入开口 2. 15中。然后，可将角度刻度1.21 (该角度刻度1.21由 多个磁性(不可见)分度线组成)直接地施加到分度环1. 2的柱面侧上。在此，通过相应 地给写头通电流(Bestromimg)在柱面侧上逐步地产生相对于轴线A基本上平行的分度线 作为角度刻度1.21，其中，北极和南极沿周缘交替。在此，径向上使每个分度线极化。在介 绍的实施例中，分度线中部的间距在周缘方向达到200 μ m。此处，在在分度环1. 2的柱面 侧上每次产生分度线后使轴最小程度地继续旋转，以使得可施加下一分度线。因此，在各个 磁化步骤之间分度环1. 2通过分度机的角度测量器械以受控的方式绕轴线A继续摆动。尽 管非常精密地制造内部环1. 1、外部环2. 1以及滚动体3，但组件自然还具有与其理想几何 形状的偏差。相应地径向跳动偏差导致角度刻度1. 21在周缘方向上的不同的几何图案，因 为在相应于最终支承的装配情况下将角度刻度1. 21施加在分度环1. 2上并且此外组件在 径向和轴向预紧。因此，基于所提及的径向跳动偏差(例如偏心率或摆动误差)，在区域Ul 中的角度刻度1. 21的几何图案可相对于区域U2中的图案存在偏差，更确切地说取决于局 部地在相应的周缘点处存在的径向跳动偏差。最后，不同的图案通过分度线的不同的间距 或通过分度线相对于轴线A不同的倾斜而体现。由于高度的精密性各个区域的图案的不同 相对较小。然而，这有助于提高角度测量系统的测量精度。在施加角度刻度1. 21之后，到目前预安装的由第一和第二构件组1，2组成的单元 可从分度机上拆卸。通过角度测量系统的特别高的机械刚度，测量结果一方面由于外部环2. 1和内部 环1. 1之间的最小化的空隙而改进，另一方面也可由此实现传感器2. 2和分度环1. 2之间 较小的且始终恒定的探测间距，以使得可实现提升的信号品质。只有通过该措施才使得利 用高的分辨率读出磁性角度刻度1. 21成为可能，该角度刻度1. 21具有在周缘方向上在分 度线中部之间的小于300 μ m、尤其小于250 μ m或小于200 μ m的间距。凹口 2. 11，2. 12，2. 13和开口 2. 15的特殊的设计(如在图4a和4b中示出的那 样)对实现角度测量系统的高机械刚度提供了显著的贡献。首先开口 2. 15如此确定大小， 即，其伸展ζ相对于外部环2. 1的轴向伸展Z相对小。此外，第一和第二凹口 2. 11，2. 12如 此地设计，即，其各自在周缘方向上的伸展U，u小于其轴向伸展H，h，即U < H、u < h。尤其 地，外部环的第一凹口 2. 11在平行于轴线A的方向上具有其最大伸延H。此外，外部环2. 1 如此地确定尺寸，即，相应地基于平行于轴线A的方向，第一凹口 2. 11的伸展H大于第二凹口 2. 12的伸展h(H>h)。此外，相应地基于周缘方向，第一凹口 2. 11的伸展U大于第二凹 口 2. 12 的伸展 u (U > U)。角度测量系统为独立的单元，该单元可由使用者简单地安装在待测量的轴处，但 却提供了非常准确的角度位置。由于角度测量系统的非常精密的设计，因此可舍弃补偿联 结(Ausgleichskupplung)。在角度测量系统的运行中，传感器2. 2相应于与传感器.2. 2相对的角度刻度1. 21 的极性提供了位置相关的电流或电压。该电流或电压在电子线路2. 31中被处理并且最终 被数字化。数字信号则可由角度测量系统传递到后续电子器件处，其中，通过数字化使得尽 可能干扰不敏感性的数据传输成为可能。此外，通过结合的结构角度测量系统在其外部尺寸上十分紧凑并且尤其具有非常 小的最大轴向伸展Z。在示出的实施例中轴向伸展Z只达到最大外部半径的约25%。此 外，通过介绍的结构实现了高质量的角度测量系统，该角度测量系统适用于待测量轴的大 直径。因此，此处介绍的角度测量系统具有相应的开口，该开口的内部半径达到最大外部半 径的约66%。
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权利要求
一种角度测量系统，包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中，所述第一构件组(1)以相对于所述第二构件组(2)可绕轴线(A)旋转的方式支承，并且 所述第一构件组(1)具有带有工作面(1.14)的环(1.1)和角度刻度(1.21)， 所述第二构件组(2)具有用于探测所述角度刻度(1.2)的传感器(2.2)，以及带有电子线路(2.31)的用于评估可通过探测生成的所述传感器(2.2)的信号的电路板(2.3)，其中，所述第二构件组(2)包括实心环(2.1)， 在所述环(2.1)处布置有另一工作面(2.14)，并且 所述环(2.1)具有用于容纳所述电路板(2.3)的第一凹口(2.11)以及用于容纳电导体(2.4)的第二凹口(2.12)，其中所述导体(2.4)将所述传感器(2.2)与相对于所述传感器(2.3)隔开布置的所述电子线路(2.31)以电的方式连接。
2.根据权利要求1所述的角度测量系统，其特征在于，所述第二构件组(2)的环(2.1) 的第一凹口(2. 11)在平行于所述轴线(A)的方向上的伸展(H)大于所述第一凹口(2. 11) 在周缘方向上的伸展(U)。
3.根据权利要求1或2所述的角度测量系统，其特征在于，所述第二构件组(2)的环 (2. 1)具有用于容纳所述传感器(2. 2)的第三凹口(2. 13)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述第二构件组(2)的环(2.1)设计为金属环、尤其为钢环。
5.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，相应地基于平行于 所述轴线(A)的方向，所述第一凹口(2. 11)的伸展(H)大于所述第二凹口(2. 12)的伸展 (h)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述电导体(2.4) 具有带有不同外部尺寸(B，d)的截面，其中，所述电导体(2.4)的较大的外部尺寸(B)在平 行于所述轴线(A)的方向上布置。
7.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述第一凹口 (2. 11)如此地设计，即，所述电路板(2. 3)可在朝向所述轴线(A)的方向上插入到所述第一 凹口(2. 11)中。
8.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述第三凹口 (2. 13)如此地设计，即，所述传感器(2. 2)可在远离所述轴线(A)的方向上插入到所述第三 凹口(2. 13)中。
9.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述角度刻度 (2. 12)以平行于所述轴线(A)的方向分量而取向。
10.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述角度刻度 (1.2)由带有不同磁极化的区域组成。
11.根据权利要求10所述的角度测量系统，其特征在于，所述传感器(2.2)设计为MR 传感器或霍尔传感器。
12.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述第一构件组 (1)和所述第二构件组(2)以及滚动体(3)如此地设计，即，所述第一构件组(1)和所述第二构件组(2)布置成轴向彼此无间隙。
13.根据上述权利要求中任一项所述的角度测量系统，其特征在于，所述第一构件组 (1)和所述第二构件组(2)分别具有两个工作面(1. 14，2. 14)，在所述工作面(1. 14，2. 14) 之间分别布置有滚动体(3)，其中，所述角度刻度(1.21)轴向上布置在所述工作面(1. 14， 2. 14)之间。
全文摘要
本发明涉及一种角度测量系统，该角度测量系统包括第一构件组(1)和第二构件组(2)，其中，第一构件组(1)以相对于第二构件组(2)可旋转的方式而支承。第一构件组(1)具有带有工作面(1.14)的环(1.1)和角度刻度(1.21)。第二构件组(2)具有用于探测角度刻度(1.2)的传感器(2.2)以及带有电子线路(2.31)的用于评估可通过探测生成的传感器(2.2)的信号的电路板(2.3)。此外，第二构件组(2)包括实心环(2.1)，在该实心环(2.1)处布置有另一工作面(2.14)并且该实心环(2.1)具有用于容纳电路板(2.3)的第一凹口(2.11)以及用于容纳电导体(2.4)的第二凹口(2.12)。在此，导体(2.4)将传感器(2.2)与相对于传感器(2.3)隔开布置的电子线路(2.31)以电的方式连接。
文档编号G01D11/24GK101965501SQ200980109205
公开日2011年2月2日 申请日期2009年2月5日 优先权日2008年3月10日
发明者J·米特雷特 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司