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WO2017174554A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer relativen winkelposition von rotierenden bauteilen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung einer relativen winkelposition von rotierenden bauteilen Download PDF

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Publication number
WO2017174554A1
WO2017174554A1 PCT/EP2017/057940 EP2017057940W WO2017174554A1 WO 2017174554 A1 WO2017174554 A1 WO 2017174554A1 EP 2017057940 W EP2017057940 W EP 2017057940W WO 2017174554 A1 WO2017174554 A1 WO 2017174554A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulse
measuring point
angle
input shaft
drive shaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/057940
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herr Reiner PESCH
Herr Christoph HÖWELER
Original Assignee
Voith Patent Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent Gmbh filed Critical Voith Patent Gmbh
Publication of WO2017174554A1 publication Critical patent/WO2017174554A1/de

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Classifications

    • 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
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/02—Gearings; Transmission mechanisms
    • G01M13/022—Power-transmitting couplings or clutches
    • 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
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/20—Detecting rotary movement
    • G01D2205/28—The target being driven in rotation by additional gears

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining different angles of rotation and for determining speed differences of at least two rotating shafts.
  • This invention is particularly suitable for a powertrain comprising a motor for driving a rotatably driven shaft called a drive shaft and having a shaft called an input shaft.
  • a motor for driving a rotatably driven shaft called a drive shaft and having a shaft called an input shaft.
  • a compensation element between the drive shaft and input shaft is provided.
  • the apparatus and method can also be used for the determination of speed differences of different rolls in a rolling mill.
  • Torsionally elastic torsional vibration dampers are often referred to in industrial use as highly elastic couplings. Such highly elastic couplings are used to dampen critical torsional vibration amplitudes and limit existing amplitudes of the powertrain or to shift the frequencies at which they occur in a targeted manner.
  • the torsional elasticity is achieved by the use of spring elements made of metallic materials or elastomers, e.g. Rubber, insist.
  • Torque limiting clutches protect all components in the powertrain. In the case of an impermissibly high torque, the clutches interrupt the power flow in the drive train. This avoids or minimizes consequential damage and longer unforeseen downtime. For example, Voith special designs are known, the additional benefits for to provide the production process. SmartSet couplings for torque limiting are equipped with a slip function. Before triggering, a predetermined slip is possible, so that a short-term overload situation does not directly lead to the interruption of the power flow in the drive train. During the slip phase, a limited torque is initially transmitted. If a predetermined twist angle is exceeded during the slip phase, the SmartSet clutch opens the drive train.
  • Torque limiting clutches known as AutoSet clutches are equipped with a slip function and an automatic reset of the maximum allowable twist angle during the slip phase.
  • Torsionally flexible torsional vibration dampers and torque limiting clutches are subject to aging and must be serviced.
  • the torsional load and the resulting stress on the torsional vibration damper or the torque-limiting coupling have a decisive influence on the aging process.
  • the invention was based on the object to provide a device and a method with which the load of the compensation element can be detected in dynamic operation. Thus, conclusions can be drawn on the current operating behavior, as well as on the aging process. Through observation over the entire service life, the aging state and the remaining life of the compensation element can be approximated.
  • the invention was based on the object to provide an improved method and an improved device, with which a twist angle can be detected.
  • the twist angle to be detected may relate to two locations of a drive train between which a rotation may occur due to various components.
  • Possible causes for the torsion are: • generally torsion by the acting torque, in particular with a time-variable torque • dynamic torsional vibration behavior when using torsionally flexible couplings
  • an occurrence of slippage of a torque-limiting coupling or twisting caused by a torsional moment of a highly elastic coupling or a shaft can be detected.
  • the invention can also be used to detect a twist angle between two shafts, preferably between two shafts in a power plant or a rolling mill.
  • the object of the invention is achieved by the Verfwinkelmessvorraum, the method for determining the twist angle and in particular the method for determining the state of aging.
  • the device is provided for measuring the angle of rotation of a drive arrangement between a first and a second measuring point.
  • the drive arrangement comprises a drive shaft rotatably drivable.
  • the drive shaft can be connected to an input shaft via a compensation element, wherein the torsion angle measuring device comprises at least one first pulse generator connected rotationally fixed to the drive shaft at the first measuring point.
  • This pulse generator is assigned a first pickup.
  • At a second measuring point at least one rotatably connected to the input shaft second pulse generator is arranged.
  • This input-side second pulse generator is associated with an input shaft side arranged second pickup.
  • the signals of the first pickup and the second pickup are fed to a controller.
  • An angle of rotation between the first and second measuring points can be determined by the control device.
  • a controller is a unit through which incoming signals are processed and which is suitable for executing a computer program. It has proven to be advantageous that the angular position of the drive shaft and the position of the input shaft can be determined by the control device and from this a rotational angle detection takes place. Due to the separate detection of the angular position of the drive shaft and the input shaft standard components can be used in the angle detection regardless of the geometry, such as diameter of the shafts.
  • At least one pulse pickup preferably the first pickup, in the drive shaft, which can detect a pulse rate of at least 1 MHz, preferably 2 MHz. Due to the high number of detectable pulses high accuracy can be achieved.
  • the number of pulses of the pulse generator used must be adapted to the application.
  • a pulse generator comprises 90 to 200 pulses. The limits are given by the pickup, whereby the rotation frequency is included. In some applications, even a few pulses, e.g. be sufficient in the range of 1 to 4 pulses.
  • the first pulse generator per full revolution comprises a number of pulse marks which deviates from the number of pulse marks per full revolution of the second pulse generator.
  • gears with different numbers of teeth can be used.
  • the device can also be used in drive arrangements with a drive shaft having a diameter deviating from the input shaft.
  • the possibility here to use pulse generators with identical pulse widths in terms of the scope has an advantageous effect on the Manufacture cost. It can be used standard sprockets and standard sensors, which are adapted to the tooth spacing.
  • a zero angle detection is performed on both sides.
  • Zero angle detection provides for the determination of an absolute angle with respect to an angular position of the shaft marked as zero angle.
  • a zero angle detection is always provided on both sides, so that always an absolute angle of the drive shaft and the input shaft can be performed independently.
  • the respective pulse generator has at least one irregularity.
  • this irregularity point is formed by a pulse miss. These irregularities make it easy to detect full revolutions. This irregularity point is designed so that due to the inertia of the drive assembly no such short-term accelerations are possible, which could lead to such a pulse sequence. Due to these irregularities, full revolutions can be clearly detected.
  • a unit called a keyphaser can also be provided for a zero-angle detection consisting of an additional pulse generator with an associated sensor.
  • the pulse generator of the Keypahsors comprises only one pulse mark for indicating a zero position or a full revolution.
  • the direction of rotation of the respective shaft may change, so that from the number of pulses can not be concluded clearly on the number of full revolutions.
  • This zero angle detection uniquely determines an angular position.
  • At least one of the measuring points is provided with at least two pulse pickups.
  • One of Pickup is provided for detection of the rotational movement of the respective shaft.
  • the other encoder of the measuring point is intended for the detection of the direction of rotation. Detection over the irregularity point, one of the pickups is also designed to detect full revolutions.
  • the two pickups of a measuring point are arranged with an offset to each other, so that the direction of rotation of the shaft results unambiguously from the sequence of pulses of the two pickup of this measuring point.
  • an absolute angular position of the drive shaft and an absolute angular position of the input shaft can be determined by the control device and that for a determination of the rotation angle, a difference of the absolute angular positions of the drive shaft and the input shaft is provided by the control device.
  • the determined absolute angular positions of the drive shaft and the determined absolute angular positions of the input shaft are stored in a memory and are readable.
  • This memory can be arranged in the control device.
  • the method comprises the following method steps:
  • Determining the angle of rotation by comparing the time-dependent angle signal from the drive shaft and input shaft at the same times.
  • the rotational speed of the respective shaft can be determined from the determined angular positions of the input shaft and / or the output shaft at continuous time points.
  • This method can also be used to obtain a twist angle of different rolls in a rolling mill, i. different angular positions of the rollers to each other and their change to determine.
  • a first of the rolls to be compared corresponds to the shaft designated as the drive shaft
  • the further shaft i to be compared corresponds to the shaft designated as the input shaft.
  • a pulse at the drive shaft may be associated with a swept angle that deviates from an angle swept at the input shaft per pulse. It eliminates the need to work on both sides with an identical number of pulses per full revolution.
  • the generation of the pulse signals by a sensor technology preferably Non-contact scanning of arranged on the drive shaft and input shaft pulse generators takes place.
  • a learning mode is provided, wherein in the learning mode at predetermined, preferably constant rotation of the drive shaft and / or the input shaft in the unloaded state measured the pulses and detected per revolution repetitive deviations and in the control device be stored in relation to a zero position / zero angle.
  • the method comprises a zero position detection for both measuring points.
  • the zero position detection generates an additional pulse train by an additional pulse generator, wherein the additional pulse train marks a zero position, also referred to as keyphasor.
  • the additional pulse train may be provided by an irregularity point in the pulse sequence of a measuring point per 360 °. This irregularity point marks a zero position.
  • the zero position can also be set to a predeterminable angle to the irregularity point.
  • the method comprises a direction of rotation detection for both of the measuring points, wherein the direction of rotation detection is detected by the sequence of an additionally recorded pulse sequence per pulse generator by the control device.
  • the direction of rotation detection is detected by the sequence of an additionally recorded pulse sequence per pulse generator by the control device.
  • This method is also referred to as a quadrature encoder method.
  • measurement errors in the form of individual outliers are detected from at least one of the pulse sequences, preferably from all pulse sequences, and corrected from the pulse sequence by a spike remover. In each case a pulse train is processed in isolation by the Spike Remover.
  • the determined angle of rotation and its time profile are taken into account by the control device for determining the stress of a compensation element used to connect drive shaft and input shaft. It should be noted that an external load leads to an internal stress of the material in a highly elastic coupling.
  • the stress of the compensation element in the current operating state is determined.
  • measuring an applied torsional moment can also be advantageous. Then the determination of the torsional moment from the respective angles of rotation is not required.
  • characteristic tables for torsion-dependent aging values also referred to as damage values, are stored.
  • a compensating element comprising an elastomer, it has proved advantageous to include characteristic values in which the frequency of a periodic angle of rotation is included in the aging values and to be taken into account when determining a residual service life.
  • further measurement signals detect the local temperature at at least one, preferably a plurality of points of the spring element or of the spring elements.
  • the stress of the compensation element in the current operating state is determined by detection and from the information about the angle of rotation, including previously determined characteristic values.
  • the previously determined characteristic values can be load values that depend on the angle of rotation and its time course.
  • the aging and the expected remaining service life of the element are determined from the recorded data for stressing the compensation element.
  • the control device comes into signal contact with a drive control for driving the drive shaft.
  • at least one contact address is stored in the control device and information is sent to the predetermined contact address when a predetermined stress of the compensation element is exceeded.
  • the direction of rotation of the drive shaft and / or the input shaft, in particular changing directions of rotation are taken into account. The determination of the direction of rotation can be made the sequence of pulses of a first and a second pulse train are derived at one of the measuring points.
  • the signals of some of the pickups are read out before being put into operation at a known speed.
  • compensation parameters can be stored in the control device.
  • sensor-related and application-related influences can be eliminated. This contributes to increasing the measurement accuracy.
  • it can be provided to allow an interpolation for the determination of angular positions between two pulses. The interpolation can increase the accuracy.
  • Fig. 1 drive arrangement with a measuring channel per measuring point
  • Fig. 2 Drive arrangement with two or three measuring channels per measuring point
  • Fig. 3 flowchart with respect to a measuring point
  • the Verwarwinkelmessvorraum 1 comprises a first pulser 3 and a second pulser 5.
  • the first pulser 3 is rotatably connected to a drive shaft 2 of a drive.
  • the second pulse generator is rotatably connected to an input shaft 6.
  • the input shaft 6 is operatively connected to a consumer 17.
  • the first pulse generator 3 is assigned a first pulse pickup 9 and the second pulse generator 5 is assigned a second pulse pickup 10.
  • the first pulse generator 3 and the first pulse pickup 9 are assigned to a first measuring point 21.
  • the second pulse generator 5 and the second pulse pickup 10 are assigned to a second measuring point 22.
  • the second pulser 5 has one of the first Pulse encoder 3 different diameter.
  • the first pulser and the second pulser are provided with a defect as an irregularity.
  • a rotational movement of the drive shaft 2 characterizing pulses / signals of a control device 15 via a signal connection 1 1 are fed.
  • This signal connection 1 1 can also be implemented wirelessly by means of a transmitting and a receiving device. From the control device 15, the respective angular position and / or the rotational movement of the drive shaft 2 from the signals of the first pulse pickup 9, as described in detail below with reference to Figure 3, determined.
  • signals of the second pulse pickup 10 of the control device 15 are transmitted via a signal connection 12.
  • This signal connection 12 can also be wireless. From the signals transmitted by the second pickup 10, the angular position and / or the rotational movement of the input shaft 6, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 3, is determined. Due to the irregularity for zero position detection, angular positions of the drive shaft 4 and the input shaft 6 can be determined by the control device 15 as absolute values. Subsequently, a subtraction is carried out, wherein the difference formation is carried out taking into account the 360 ° breakthroughs. From a difference between the rotational movement of the drive shaft 2 and the input shaft 6 results in a twist angle between the first measuring point 21 and the second measuring point 22 at the moment considered.
  • the drive shaft 2 is connected to the input shaft 6 via a compensation element 4.
  • the compensation element 4 may be a safety coupling, a highly elastic coupling or a non-rotatable connection of the drive shaft 2 to the input shaft.
  • torsion between the first measuring point 21 and the second measuring point 22 is accompanied by the angle of rotation.
  • This torsion loads the shaft / connection or the highly elastic coupling. It can become a repetitive periodic Forming a change in the angle of rotation, which can also be referred to as oscillation. By detecting the time course of the rotation angle, such a vibration can be detected.
  • slippage of the safety coupling can result from the twist angle.
  • the device shown in Figure 2 for measuring the rotation angle 1 differs in that at the first measuring point 21 in addition to the first pulse generator 3, an additional pulse generator of the kephasor 3b is arranged.
  • the pulse generator of the Cephasors 3b is also rotatably connected to the drive shaft 2.
  • the pulse generator of the kephasor 3b is associated with a pickup of the keyphaser 9b.
  • the pulse generator of the keyphaser 3b has one pulse per full revolution.
  • the pulse generator of the keyphaser 3b is used for counting the full revolutions and for identifying a predetermined angular position, also referred to as zero angle.
  • This unit of pulse generator of the keyphaser 3b and pickup of the keyphaser 9b is also referred to as a keyphaser sensor or short keyphaser.
  • the first pulse generator 3 is associated with a further pulse pickup 9a.
  • This further pickup 9a is arranged for phase-shifted detection of the pulses of the first pulse generator 3. Due to the phase offset, the detection of the direction of rotation of the drive shaft from the sequence of detected pulses by the first pickup 9 and the other pickup 9a is possible. All pickups 9, 9a, 9b of the first measuring point 21 are arranged radially.
  • a further Impulsaufnehnner 10 a is assigned to the second pulse generator 5.
  • the further pickup 10a is arranged axially for picking up pulses.
  • the second pulser 5 is equipped with a defect for the detection of a zero position.
  • the pickup 10, 10a of the pulse generator 5 is sensed by sensors.
  • the second and the further pickup 10a are arranged in such a way that can be closed by the sequence of recorded by the second and the other pulse pickup pulses on the direction of rotation of the input shaft 6.
  • a pulse generator 5 may be provided in particular a sprocket.
  • both pickups are arranged radially or axially, so that relative movements in the shaft affect both Impulsaufnhemer together.
  • the drive shaft 2 has a different from the input shaft 6 diameter.
  • the first pulser 3 and the second pulser 5 may receive a different number of scannable pulses, e.g. Teeth, per 360 °.
  • the embodiment shown in Figure 2 has a transmitting unit 18, can be sent by the signals.
  • the drive 16 is provided with a receiver 23. It can be provided that the operation of the drive to reduce the occurring angle of rotation is changed depending on the time profile of the angle of rotation. Via the receiver signals can be transmitted to the drive to change the control of the drive. For example, in the case of frequent slippage, a reduction in the drive power of the drive 16 may be provided.
  • the rotational speed of the drive 16 can be changed when occurring periodically changing angle of rotation. By determining the angular position of the drive shaft 2 and the input shaft 6 and then subtracting a high accuracy can be achieved. 360 ° breaks are taken into account when determining the angle of rotation.
  • the angular position is determined with reference to a set reference point. This determination is thus made with respect to a predetermined reference point of the drive shaft 2 and with respect to a predetermined reference point of the input shaft 6.
  • the reference points are also referred to as the zero angle.
  • the drive shaft 2 is provided with a reference point and independently of this reference point, the input shaft 6 is provided with its own reference point.
  • sensor-related influences are compensated by compensation parameters.
  • a gear is provided as the first pulser that has been formed by joining two gear halves, the distance between the two teeth at the abutment does not exactly match the distance between the other teeth.
  • the implementation of the method provides a kind of "learning mode" for Determination of the compensation parameters.
  • the incoming impulses are measured.
  • the detected tooth distances are averaged so that the result can be improved by a longer learning phase in the learning mode.
  • the tooth spacings associated with an angular position are averaged.
  • irregularities in the pulse generators 3 and / or 5 associated with the angular position can be detected and taken into account in the determination of the angular position. This contributes to an increase in accuracy.
  • the compensation element 4 is provided with a plurality of temperature sensors 74.
  • the temperature of the compensation element 4 can be taken into account in the determination of the instantaneous stress of the compensation element. It may be provided to sum up the instantaneous stresses and compare them with a predetermined lifetime to determine a remaining remaining life. If a predetermined remaining service life is exceeded, then a trigger signal is transmitted. By means of this trigger signal maintenance and thus replacement of the compensation element 4 can be planned. As a result, early failure of the compensation element 4 can be prevented.
  • a separate evaluation unit 76 is provided for determining the state of aging or the remaining service life. This evaluation unit 76 is part of the control device 15. This evaluation unit 76 could also be designed as an independent unit.
  • the controller 15 are supplied via a digital input 25 signals. These signals are converted into a pulse sequence, step 26. If a plurality of pulse pickups 9, 9a and 9b are provided at the measuring point 21, then it is provided that a pulse train is generated from the incoming signals of each pulse pickup 9, 9a, 9b, step 26.
  • step 28 it may also be provided to use an analog input 27 and to generate a pulse train from the incoming signals, step 28.
  • the use of incoming analog and digital signals to generate pulse sequences may be provided.
  • this pulse train is optionally subjected to a filtering of the signals in step 42. There are individual outliers away. In the case of the other present pulse sequences, filtering of the signals may also be provided in step 31, with individual outliers being removed from the pulse sequence during filtering. That steps 31 and 42 are optionally provided is indicated by the dashed bypass line.
  • step 31 two pulse sequences of a measuring point can be processed in parallel. If, in particular, two pulse pickups, such as 10, 10a or 9 and 9a, are provided, two pulse sequences per measuring point can be subjected to filtering, also referred to as spike remover.
  • a pulse generator with an irregularity is e.g. provided in the form of a defect, so one of the irregularity-containing pulse sequence is used in step 41 for a zero detection and based on which determines the zero.
  • step 33 the direction of rotation detection is performed in the case of two sequences of pulses which are recorded in phase offset from one another. Furthermore, in at least one of the pulse trains the count of the pulses is made. This counting of pulses can be done by detecting the pulse edges from 0 to 1. This result is summarized in FIG. 34. In the negative direction of rotation is counted backwards. This result is used in steps 43 and 44. The number of detected pulses from 33 is referenced to the detected zero angle, also referred to as the zero position, in step 43 or 44, result 46. Thus, e.g. the result before that the current angular position is three pulses after the zero angle when rotating in the positive direction of rotation. Which is the positive direction depends ultimately on the arrangement of the sensor pairs, or of the definition of which signal input 9 and which is 9a.
  • This result 46 is converted into an angle value in step 35.
  • an absolute angle value is determined. If correction parameters are available, these correction parameters are taken into account in the determination of the absolute angle value, step 36. This step is optional and increases the accuracy of the absolute angle value.
  • the correction parameters may have been or have been determined in a learning mode at startup.
  • Module 70 represents the determination of the time profile of the absolute angular position. In step 71, an interpolation between the concretely determined absolute angular positions is provided. The result is available in 72. This result refers only to one measuring point. In the same way, the absolute angular position is determined for the further measuring point and then the angle of rotation is determined by subtraction, not shown in Figure 3.
  • a determination of a specific speed is provided.
  • the angle support points are transformed into velocity values.
  • an interpolation between the speed bases is provided.
  • the result is shown in FIG. 62.
  • This result 62 refers to a measuring point.
  • Such a determination can also be carried out for the other measuring point and the difference in the speeds between the measuring points can be represented.
  • the accuracy of angle detection is determined by various aspects, such as
  • the incoming digital signals of the pickups 9, 9a, 9b, 10, 10a are detected and evaluated by the pulse generators 3, 3b, 5 at a high sampling rate.
  • rates of the order of 2 MHz can be realized.
  • the angular positions are linearly interpolated there. This is made possible by the strategy of the slightly time-delayed evaluation of input signals in the calculation. If necessary, the accuracy could be improved a little by providing quadratic interpolation.
  • the accuracy can be further increased by further measures such as compensation and averaging.
  • the method includes the option of compensating for nonuniform pulse distributions.
  • the determination of the parameters required for the compensation is supported in the method implemented here by a kind of "learning mode". In the learning mode, the tooth distances are automatically measured with constant, unloaded rotation. A learning trip can be carried out for any length of time. To increase the accuracy, the determined pulse positions are averaged over the entire learning travel.
  • the directly determined angles of rotation always refer to the surrounding pulse generators.
  • the accuracy of this dynamic signal can be increased by averaging (moving averaging window).
  • the dynamic speed can also be determined based on this measuring chain (including optional compensation of non-uniform pulse distributions).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung für eine Antriebsanordnung zur Messung eines Verdrehwinkels einer rotatorisch antreibbaren Antriebswelle zu einer Eingangswelle. Die Antriebswelle ist über ein Kompensationselement mit der Eingangswelle verbunden. Die Vorrichtung zur Messung des Verdrehwinkels weist eine erste und eine zweite Messstelle auf. Die erste Messstelle umfasst einen mit der Antriebswelle drehfest verbundenen Impulsgeber. Dem Impulsgeber ist ein Impulsaufnehmer zugeordnet, der Impulssignale einer zugeordneten Steuereinrichtung zuleitet. Die zweite Messstelle umfasst einen mit der Eingangswelle drehfest verbundenen Impulsgeber der Eingangswelle. Dem Impulsgeber der Eingangswelle ist ein Impulsaufnehmer zugeordnet. Dieser Impulsaufnehmer leitet die aufgenommenen Impulssignale der zugeordneten Steuereinrichtung zu. Die Steuereinrichtung ermittelt die Winkelposition oder Geschwindigkeit der Antriebswelle an der ersten Messstelle und ermittelt die Geschwindigkeit und/oder Winkelposition der Eingangswelle an der zweiten Messstelle. Aus einem Vergleich der Geschwindigkeiten und/oder Winkelpositionen ermittelt die Steuereinrichtung den momentanen Verdrehwinkel und den Verdrehwinkelverlauf. ggf. Alterungsermittlung & Lebensdauerprognose ergänzen

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer relativen Winkelposition von rotierenden Bauteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung von unterschiedlichen Drehwinkeln und zur Ermittlung von Drehzahldifferenzen von mindestens zwei rotierenden Wellen. Diese Erfindung ist insbesondere für einen Antriebsstrang, umfassend einen Motor zum Antrieb einer als Antriebswelle bezeichneten rotatorisch antreibbaren Welle und mit einer als Eingangswelle bezeichneten Welle, geeignet. Für die Dämpfung ungleichförmiger Rotationbewegungen oder von Drehmomentspitzen ist mindestens ein Kompensationselement zwischen Antriebswelle und Eingangswelle vorgesehen. Darüber hinaus kann die Vorrichtung und das Verfahren auch für die Ermittlung von Drehzahlunterschieden von verschiedenen Walzen in einem Walzwerk eingesetzt werden.
Als Kompensationselemente können drehelastische Torsionsschwingungsdämpfer und drehmomentbegrenzende Kupplungen eingesetzt werden. Drehelastische Torsionsschwingungsdämpfer werden beim industriellen Einsatz häufig auch als hochelastische Kupplungen bezeichnet. Solche hochelastischen Kupplungen werden eingesetzt, um kritische Drehschwingungsamplituden zu dämpfen und vorhandene Resonanzen des Antriebsstrangs in ihrer Amplitude zu begrenzen oder die Frequenzen, bei denen sie auftreten, gezielt zu verschieben. Die Drehelastizität wird dabei durch den Einsatz von Federelementen erzielt, die aus metallischen Werkstoffen oder Elastomeren, wie z.B. Gummi, bestehen.
Drehmomentbegrenzende Kupplungen schützen alle Komponenten im Antriebsstrang. Im Falle eines unzulässig hohen Drehmoments unterbrechen die Kupplungen den Leistungsfluss im Antriebsstrang. So werden Folgeschäden und längere unvorhergesehene Stillstände vermieden bzw. minimiert. Beispielsweise sind von der Firma Voith spezielle Ausführungen bekannt, die zusätzlichen Vorteile für den Produktionsprozess bieten. Als SmartSet-Kupplungen bezeichnete Kupplungen zur Drehmomentbegrenzung sind mit einer Schlupffunktion ausgestattet. Vor dem Auslösen ist ein vorbestimmter Schlupf möglich, so dass eine kurzzeitige Überlastsituation nicht unmittelbar zur Unterbrechung des Leistungsflusses im Antriebsstrang führt. Während der Schlupfphase wird zunächst ein begrenztes Drehmoment übertragen. Wird während der Schlupfphase ein vorbestimmter Verdrehwinkel überschritten, öffnet die SmartSet-Kupplung den Antriebsstrang.
Als AutoSet-Kupplungen bezeichnete Kupplungen zur Drehmomentbegrenzung sind mit einer Schlupffunktion und einer automatischen Rücksetzung des maximal zulässigen Verdrehwinkels während der Schlupfphase ausgestattet.
Drehelastische Torsionsschwingungsdämpfer und drehmomentbegrenzende Kupplungen unterliegen einem Alterungsprozess und müssen gewartet werden. Die Torsionsbelastung und die daraus resultierende Beanspruchung des Torsionsschwingungsdämpfers bzw. der drehmomentbegrenzenden Kupplung haben einen entscheidenden Einfluss auf den Alterungsprozess.
Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Belastung des Kompensationselementes im dynamischen Betrieb erfasst werden kann. Somit können Rückschlüsse auf das augenblickliche Betriebsverhalten gezogen werden, sowie auf den Alterungsprozess. Durch Beobachtung über die gesamte Einsatzzeit hinweg kann der Alterungszustand und die verbleibende Restlebensdauer des Kompensationselements näherungsweise ermittelt werden.
Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung bereitzustellen, mit dem ein Verdrehwinkel erfasst werden kann. Der zu erfassende Verdrehwinkel kann sich auf zwei Stellen eines Antriebsstrangs, zwischen denen es aufgrund verschiedener Komponenten zu einer Verdrehung kommen kann, beziehen. Mögliche Ursachen für die Verdrehung sind: • generell Verdrehung (Torsion) durch das wirkende Drehmoment, insbesondere bei einem zeitlich variablen Drehmoment • dynamisches Torsionsschwingverhalten beim Einsatz von drehelastischen Kupplungen
• fortschreitender Versatz beim Einsatz von Rutschkupplungen, auch als Schlupf bezeichnet.
Als Verdrehwinkel kann ein aufgetretener Schlupf einer drehmomentbegrenzenden Kupplung oder eine durch ein Torsionsmoment bewirkte Verdrillung einer hochelastischen Kupplung oder einer Welle erfasst werden. Auch kann die Erfindung eingesetzt werden, um einen Verdrehwinkel zwischen zwei Wellen, vorzugsweise zwischen zwei Wellen in einem Kraftwerk oder einem Walzwerk, zu erfassen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Verdrehwinkelmessvorrichtung, das Verfahren zur Bestimmung des Verdrehwinkels und insbesondere dem Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustands gelöst.
Die Vorrichtung ist vorgesehen zur Messung des Verdrehwinkels einer Antriebsanordnung zwischen einer ersten und einer zweiten Messstelle. Die Antriebsanordnung umfasst eine rotatorisch antreibbare Antriebswelle. Die Antriebswelle ist über ein Kompensationselement mit einer Eingangswelle verbindbar, wobei die Verdrehwinkelmessvorrichtung mindestens einen an der ersten Messstelle mit der Antriebswelle drehfest verbundenen ersten Impulsgeber umfasst. diesem Impulsgeber ist ein erster Impulsaufnehmer zugeordnet. An einer zweiten Messstelle ist mindestens ein mit der Eingangswelle drehfest verbundener zweiter Impulsgeber angeordnet. Diesem eingangswellenseitigen zweiten Impulsgeber ist ein eingangswellenseitig angeordneter zweiter Impulsaufnehmer zugeordnet.
Die Signale des ersten Impulsaufnehmers und des zweiten Impulsaufnehmers werden einer Steuereinrichtung zugeführt. Ein Verdrehwinkel zwischen der ersten und zweiten Messstelle ist durch die Steuereinrichtung ermittelbar. Eine Steuereinrichtung ist eine Einheit durch die eingehende Signale verarbeitet werden können und die zur Ausführung eines Computerprogrammes geeignet ist. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass durch die Steuereinrichtung die Winkelposition der Antriebswelle und die Position der Eingangswelle ermittelbar ist und daraus eine Verdrehwinkelerfassung erfolgt. Aufgrund der getrennten Erfassung der Winkelposition der Antriebswelle und der Eingangswelle können Standartbauteile bei der Winkelerfassung unabhängig von der Geometrie, wie Durchmesser der Wellen, eingesetzt werden.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, bei der Antriebswelle mindestens einen Impulsaufnehmer, vorzugsweise der erste Impulsaufnehmer, einzusetzen, der eine Impulsrate von mindestens 1 MHz, vorzugsweise von 2 MHz erfassen kann. Durch die hohe Anzahl an erfassbaren Impulsen kann eine hohe Genauigkeit erreicht werden. Die Anzahl der Impulse der eingesetzten Impulsgeber ist auf den Anwendungsfall abzustimmen. Bevorzugt umfasst ein Impulsgeber 90 bis 200 Impulse. Die Grenzen sind gegeben durch die Impulsaufnehmer, wobei auch die Rotationsfrequenz mit eingeht. In einzelnen Anwendungsfällen können auch nur wenige Impulse z.B. im Bereich von 1 bis 4 Impulse ausreichend sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Impulsgeber pro voller Umdrehung eine Anzahl an Impulsmarken umfasst, die von der Anzahl der Impulsmarken pro voller Umdrehung des zweiten Impulsgebers abweicht. Dadurch ist es möglich Impulsgeber einzusetzen, die in Umfangsrichtung gleich große Impulsmarken in Absolutwerten, z.B. in Millimetern, aufweisen, wobei der Umfang des ersten Impulsgebers vom Umfang des zweiten Impulsgebers abweicht. Zum Beispiel können Zahnräder mit unterschiedlicher Anzahl an Zähnen verwendet werden. Dadurch kann die Vorrichtung auch bei Antriebsanordnungen mit einer Antriebswelle mit einem von der Eingangswelle abweichenden Durchmesser eingesetzt werden. Die Möglichkeit hier Impulsgeber mit identischen Pulsweiten in Bezug auf den Umfang einsetzen zu können wirkt sich vorteilhaft auf die Herstell kosten aus. Es können Standard-Zahnkränze und Standard-Sensoren, die auf die Zahnabstände abgestimmt sind, eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf beiden Seiten eine Nullwinkelerfassung durchgeführt wird. Durch die Nullwinkelerfassung ist die Bestimmung eines Absolutwinkels in Bezug auf eine als Nullwinkel markierte Winkelposition der Welle vorgesehen. Eine Nullwinkelerfassung ist immer auf beiden Seiten vorgesehen, so dass immer ein Absolutwinkel der Antriebswelle und der Eingangswelle unabhängig voneinander durchgeführt werden kann. Als Nullwinkel kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Impulsgeber mindestens eine Unregelmäßigkeitsstelle aufweist. Vorzugsweise ist diese Unregelmäßigkeitsstelle durch eine Impulsfehlstelle ausgebildet. Durch diese Unregelmäßigkeitsstellen können volle Umdrehungen einfach erfasst werden. Diese Unregelmäßigkeitsstelle ist so ausgebildet, dass aufgrund der Massenträgheit der Antriebsanordnung keine derartig kurzfristigen Beschleunigungen möglich sind, die zu einer derartigen Impulsabfolge führen könnten. Durch diese Unregelmäßigkeitsstellen können volle Umdrehungen eindeutig erfasst werden. Alternativ kann auch für eine Nullwinkelerfassung ein als Keyphasor bezeichnete Einheit bestehend aus einem zusätzlichen Impulsgeber mit zugeordnetem Sensor vorgesehen sein. Üblicherweise umfasst der Impulsgeber des Keypahsors nur eine Impulsmarke zur Kennzeichnung einer Nullposition bzw. einer vollen Umdrehung.
Die Drehrichtung der jeweiligen Welle kann sich ändern, so dass aus der Anzahl der Impulse nicht eindeutig auf die Anzahl der vollen Umdrehungen geschlossen werden kann. Durch diese Nullwinkelerfassung ist eine Winkelposition eindeutig bestimmt.
Sind beide Impulsgeber mit einer derartigen Unregelmäßigkeitsstelle versehen, so können volle Umdrehungen beider Wellen eindeutig erkannt werden. Es kann eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens eine der Messstellen mit mindestens zwei Impulsaufnehmern versehen ist. Einer der Impulsaufnehmer ist für eine Detektion der Drehbewegung der jeweiligen Welle vorgesehen. Der andere Impulsgeber der Messstelle ist für die Detektion der Drehrichtung vorgesehen. Ber Erkennung über die Unregelmäßigkeitsstelle ist einer der Impulsaufnehmer auch für die Erkennung voller Umdrehungen vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Impulsaufnehmer einer Messtestelle mit einem Versatz zueinander angeordnet, so dass aus der Abfolge der Impulse der beiden Impulsaufnehmer dieser Messstelle sich die Drehrichtung der Welle eindeutig ergibt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass durch die Steuereinrichtung eine absolute Winkelposition der Antriebswelle und eine absolute Winkelposition der Eingangswelle ermittelbar ist und dass für eine Bestimmung des Verdrehwinkels eine Differenzbildung der absoluten Winkelpositionen der Antriebswelle und der Eingangswelle durch die Steuereinrichtung vorgesehen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die ermittelten absoluten Winkelpositionen der Antriebswelle und die ermittelten absoluten Winkelpositionen der Eingangswelle in einem Speicher gespeichert werden und auslesbar sind. Dieser Speicher kann in der Steuereinrichtung angeordnet sein.
Verfahren zur Bestimmung eines Verdrehwinkels zwischen einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle, wobei die erste Messstelle einer als Antriebswelle bezeichnete Welle zugeordnet ist und wobei die zweite Messstelle ist einer als Eingangswelle bezeichneten Welle zugeordnet ist. Die Antriebswelle ist mit der Eingangswelle verbindbar. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
Zuleiten von eine Rotationsbewegung charakterisierenden Impulssignalen von der ersten Messstelle zu einer Steuereinrichtung und
Generieren einer ersten Impulsfolge aus den Impulssignalen der ersten Messstelle durch die Steuereinrichtung
· Bestimmung eines zeitabhängigen Winkelsignals der Antriebswelle aus der ersten Impulsfolge der Antriebswelle Zuleiten von eine Rotationsbewegung charakterisierenden zweiten Impulssignalen von der zweiten Messstelle zu der Steuereinrichtung
Generieren einer zweiten Impulsfolge aus den Impulssignalen der zweiten Messstelle durch die Steuereinrichtung
· Bestimmung eines zeitabhängigen Winkelsignals der Eingangswelle aus der zweiten Impulsfolge aus der zweiten Impulsfolge
Bestimmung des Verdrehwinkels durch Vergleich des zeitabhängigen Winkelsignals von Antriebswelle und Eingangswelle zu gleichen Zeitpunkten. Zusätzlich kann aus den bestimmten Winkelpositionen der Eingangswelle und/oder der Ausgangswelle zu fortlaufenden Zeitpunkten die Drehzahl der jeweiligen Welle bestimmt werden.
Durch eine Auswertung der Impulsfolge der Antriebswelle und Auswertung der Impulsfolge der Eingangswelle ist eine Bestimmung eines Verdrehwinkels der beiden Wellen zueinander mit vermindertem technischem Aufwand möglich. Dieses Verfahren kann auch genutzt werden, um einen Verdrehwinkel von unterschiedlichen Walzen in einem Walzwerk, d.h. unterschiedliche Winkelpositionen der Walzen zueinander und deren Veränderung, zu ermitteln. Dabei entspricht eine erste der zu vergleichenden Walzen der als Antriebswelle bezeichnete Welle und die weitere zu vergleichende Welle i entspricht der als Eingangswelle bezeichnete Welle.
Durch dieses Verfahren ist es möglich, charakterisierende Impulssignale zu verwenden, die bei der ersten Messstelle eine von der zweiten Messstelle abweichende Bedeutung haben. So kann z.B. ein Impuls bei der Antriebswelle einem überstrichenen Winkel zugeordnet sein, der von einem bei der Eingangswelle überstrichenen Winkel pro Impuls abweicht. Es entfällt der Zwang auf beiden Seiten mit einer identische Anzahl an Impulsen pro voller Umdrehung zu arbeiten. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Erzeugung der Impulssignale durch eine sensortechnische vorzugsweise berührungslose Abtastung von auf der Antriebswelle und Eingangswelle angeordneten Impulsgebern erfolgt.
In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass bei dem Verfahren ein Lernmodus vorgesehen ist, wobei in dem Lernmodus bei vorbestimmter, vorzugsweiser konstanter Drehung der Antriebswelle und/oder der Eingangswelle im unbelasteten Zustand die Impulse vermessen und pro Umdrehung sich wiederholende Abweichungen erkannt und in der Steuereinrichtung in Bezug auf eine Nullposition/Nullwinkel hinterlegt werden. Dadurch können kleine Abweichungen in der Impulsabfolge bei der Auswertung und Bestimmung der Winkelposition der jeweiligen Welle an der Messstelle berücksichtigt werden. Eine Ursache für eine deutliche Störung der Impuls-Gleichverteilung über den Umfang liegt in der teilweise gegebenen Notwendigkeit der Montage eines Zahnkranzes in zwei Hälften. Das ist oft der Fall bei nachträglicher Ausrüstung eines bestehenden Antriebstrangs. An den Stoßstellen lässt sich der Zahnabstand nicht mit beliebig hoher Genauigkeit realisieren. Durch den Lernmodus können diese Abweichungen kompensiert werden. Dadurch kann die Genauigkeit erhöht werden.
In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass das Verfahren eine Nullpositionserkennung für beide Messstellen umfasst. Die Nullpositionserkennung erzeugt eine zusätzliche Impulsfolge durch einen zusätzlichen Impulsgeber, wobei die zusätzliche Impulsfolge eine Nullposition markiert, auch als Keyphasor bezeichnet. Alternativ kann durch eine Unregelmäßigkeitsstelle in der Impulsfolge einer Messstelle pro 360°vorgesehen sein. Diese Unregelmäßigkeitsstelle markiert eine Nullposition. Die Nullposition kann auch auf einen vorbestimmbaren Winkel zur Unregelmäßigkeitsstelle festgelegt werden.
In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass das Verfahren eine Drehrichtungserkennung für beide der Messstellen umfasst, wobei die Drehrichtungserkennung durch die Abfolge einer zusätzlich aufgenommenen Impulsfolge je Impulsgeber durch die Steuereinrichtung erkannt wird. Sind die Impulse der Impulsfolge einer Messstelle um 1/4 eines Impulszyklus phasenversetzt, so kann aus der Abfolge der detektierten Impulsfolgen auf die Drehrichtung geschlossen werden. Dieses Verfahren wird auch als Quadratur-Encoder Verfahren bezeichnet. In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass aus mindestens einer der Impulsfolgen, vorzugsweise aus allen Impulsfolgen, Messfehler in Form von einzelnen Ausreißern erkannt werden und aus der Impulsfolge durch einen Spike- Remover behoben werden. Dabei wird durch den Spike Remover jeweils eine Impulsfolge isoliert bearbeitet. Basierend auf der bekannten Zahn-Anzahl, der verwendeten Abtastfrequenz sowie einer bekannten maximalen Drehzahl, lässt sich herleiten, dass ein Zahn mindestens x (z.B. zweihundert) „1 "-Signalen entspricht. Werden nun einzelne„1 " detektiert, so kann es sich hierbei nur um eine Störung handeln. Diese Einzelnen „1 " oder auch „0" lassen sich dann in der Impulsfolge korrigieren.
In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass für eine Ermittlung der Beanspruchung eines zur Verbindung von Antriebswelle und Eingangswelle eingesetzten Kompensationselementes die ermittelten Verdrehwinkel und deren zeitlichen Verlauf durch die Steuereinrichtung berücksichtigt werden. Es sei angemerkt, dass eine äußere Belastung zu einer inneren Beanspruchung des Werkstoffes bei einer hochelastischen Kupplung führt.
In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass aus der Information über den Verdrehwinkel unter Einbeziehung zuvor ermittelter Kennwerte und ggf. weiterer Sensormesssignale die Beanspruchung des Kompensationselementes im aktuellen Betriebszustand ermittelt wird. Als weitere Sensorsignale kann auch das Messen eines anliegenden Torsionsmomentes vorteilhaft sein. Dann ist die Ermittlung des Torsionsmomentes aus den jeweiligen Verdrehwinkeln nicht erforderlich. In einer bevorzugten Ausführungsform sind Kennwerttabellen für von der Torsion abhängigen Alterungswerten, auch als Schadenswerte bezeichnet, hinterleget. Darüber hinaus hat es sich bei einem ein Elastomer umfassenden Kompensationselement als vorteilhaft herausgestellt, Kennwerte bei denen die Frequenz eines periodischen Verdrehwinkels bei den Alterungswerten mit eingehen zu hinterlegen und bei der Ermittlung einer Restlebensdauer mit zu berücksichtigen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass weitere Messsignale die lokale Temperatur an mindestens einer, vorzugsweise mehreren Stellen des Federelements oder der Federelemente erfassen. In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass durch Erfassung und aus der Information über den Verdrehwinkel unter Einbeziehung zuvor ermittelter Kennwerte die Beanspruchung des Kompensationselementes im aktuellen Betriebszustand ermittelt wird. Die zuvor ermittelten Kennwerte können Belastungswerte sein, die von dem Verdrehwinkel und dessen zeitlichen Verlauf abhängen.
In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass aus den erfassten Daten zur Beanspruchung des Kompensationselementes die Alterung und die voraussichtliche Restlebensdauer des Elements ermittelt werden. In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass bei Überschreiten einer vorbestimmten Häufigkeit eines Verdrehens oder bei einem andauernden Verdrehen die Steuereinrichtung mit einer Antriebssteuerung für den Antrieb der Antriebswelle in Signalkontakt tritt. In einem bevorzugten Verfahren ist vorgesehen, dass in der Steuereinrichtung mindestens eine Kontaktadresse hinterlegt ist und bei Überschreitung einer vorbestimmten Beanspruchung des Kompensationselementes eine Information an die vorbestimmte Kontaktadresse versendet wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Drehrichtung der Antriebswelle und/oder der Eingangswelle, insbesondere auch wechselnde Drehrichtungen, berücksichtigt werden. Die Bestimmung der Drehrichtung kann aus der Abfolge der Impulse einer ersten und einer zweiten Impulsfolge an einer der Messstellen abgeleitet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass vor einer Inbetriebnahme bei einer bekannten Drehzahl die Signale einiger der Impulsaufnehmer, vorzugsweise aller Impulsaufnehmer, ausgelesen werden. Dadurch können in der Steuereinrichtung Kompensationsparameter hinterlegt werden. Durch die in der Steuereinrichtung hinterlegten Kompensationsparameter können sensorbedingte und applikationsbedingte Einflüsse beseitigt werden. Das trägt zu Erhöhung der Messgenauigkeit bei. Weiterhin kann vorgesehen sein, eine Interpolation zur Bestimmung von Winkelpositionen zwischen zwei Impulsen zu ermöglichen. Durch die Interpolation kann die Genauigkeit erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand einer Figur erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Es zeigt:
Fig. 1 : Antriebsanordnung mit einem Messkanal je Messstelle
Fig. 2: Antriebsanordnung mit zwei oder drei Messkanälen je Messstelle
Fig. 3: Ablaufdiagram in Bezug auf eine Messstelle
Anhand von Figur 1 wird eine Antriebsanordnung beschrieben, mit der eine Verdrehwinkelmessung realisiert werden kann. Die Verdrehwinkelmessvorrichtung 1 umfasst einen ersten Impulsgeber 3 und einen zweiten Impulsgeber 5. Der erste Impulsgeber 3 ist drehfest mit einer Antriebswelle 2 eines Antriebs verbunden. Der zweite Impulsgeber ist drehfest mit einer Eingangswelle 6 verbunden. Die Eingangswelle 6 ist mit einem Verbraucher 17 wirkverbunden. Dem ersten Impulsgeber 3 ist ein erster Impulsaufnehmer 9 zugeordnet und dem zweiten Impulsgeber 5 ist ein zweiter Impulsaufnehmer 10 zugeordnet. Der erste Impulsgeber 3 und der erste Impulsaufnehmer 9 sind einer ersten Messstelle 21 zugeordnet. Der zweite Impulsgeber 5 und der zweite Impulsaufnehmer 10 sind einer zweiten Messstelle 22 zugeordnet. Der zweite Impulsgeber 5 weist einen von dem ersten Impulsgeber 3 abweichenden Durchmesser auf. Für eine Nullpositionserkennung sind der erste Impulsgeber und der zweite Impulsgeber mit einer Fehlstelle als Unregelmäßigkeit versehen. Durch den ersten Impulsaufnehmer 9 werden eine Drehbewegung der Antriebswelle 2 charakterisierende Impulse/Signale einer Steuereinrichtung 15 über eine Signalverbindung 1 1 zugeleitet. Diese Signalverbindung 1 1 kann auch drahtlos mittels einer Sende- und einer Empfangseinrichtung ausgeführt sein. Von der Steuereinrichtung 15 wird die jeweilige Winkelposition und/oder die Drehbewegung der Antriebswelle 2 aus den Signalen des ersten Impulsaufnehmers 9, wie nachfolgend anhand von Figur 3 im Detail beschrieben, ermittelt.
Weiterhin werden Signale des zweiten Impulsaufnehmers 10 der Steuereinrichtung 15 über eine Signalverbindung 12 übermittelt. Auch diese Signalverbindung 12 kann drahtlos ausgeführt sein. Aus den vom zweiten Impulsaufnehmer 10 übermittelten Signalen wird die Winkelposition und/oder die Drehbewegung der Eingangswelle 6, wie anhand von Fig. 3 nachfolgend näher erläutert wird, ermittelt. Aufgrund der Unregelmäßigkeit für eine Nullpositionserkennung können durch die Steuereinrichtung 15 Winkelpositionen der Antriebswelle 4 und der Eingangswelle 6 als Absolutwerte bestimmt werden. Anschließend wird eine Differenzbildung durchgeführt, wobei die Differenzbildung unter Berücksichtigung der 360°-Umbrüche durchgeführt wird. Aus einer Differenz zwischen der Drehbewegung der Antriebswelle 2 und der Eingangswelle 6 ergibt sich ein Verdrehwinkel zwischen der ersten Messstelle 21 und der zweiten Messstelle 22 zu dem betrachteten Moment. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Antriebswelle 2 mit der Eingangswelle 6 über ein Kompensationselement 4 verbunden. Das Kompensationselement 4 kann eine Sicherheitskupplung, eine hochelastische Kupplung oder auch eine drehfeste Verbindung der Antriebswelle 2 mit der Eingangswelle sein. Bei einer hochelastischen Kupplung und auch bei der drehfesten Verbindung geht mit dem Verdrehwinkel eine Torsion zwischen der ersten Messstelle 21 und der zweiten Messstelle 22 einher. Durch diese Torsion wird die Welle/ Verbindung bzw. die hochelastische Kupplung belastet. Es kann sich eine wiederholende periodische Veränderung des Verdrehwinkels ausbilden, die auch als Schwingung bezeichnet werden kann. Durch Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Verdrehwinkels kann eine derartige Schwingung erfasst werden. Bei einer Sicherheitskuppkung als Kompensationselement 4 kann aus dem Verdrehwinkel ein Durchrutschen der Sicherheitskupplung resultieren. Durch den zeitlichen Verlauf des Verdrehwinkels kann auf ein vorrübergehendes Durchrutschen einer Sicherheitskupplung oder ein Auslösen der Sicherheitskupplung geschlossen werden. Es kann vorgesehen sein, die Verdrehwinkel aufzusummieren und bei Überschreiten eines vorbestimmten Verdrehwinkels über einen vorbestimmten Grenzwert innerhalb von einem vorher festgelegten Zeitabschnitt ein Auslösen der Sicherheitskupplung vorzusehen. Dieses Auslösen kann durch die Steuereinrichtung oder ferngesteuert ausgelöst werden. Durch Auslösen der Sicherheitskupplung kann eine Überhitzung der Sicherheitskupplung verhindert werden.
Die in Figur 2 dargestellte Vorrichtung zur Messung des Verdrehwinkels 1 unterscheidet sich dadurch, dass an der ersten Messstelle 21 neben dem ersten Impulsgeber 3 noch ein zusätzlicher Impulsgeber des Kephasors 3b angeordnet ist. Der Impulsgeber des Kephasors 3b ist ebenfalls drehfest mit der Antriebswelle 2 verbunden. Dem Impulsgeber des Kephasors 3b ist ein Impulsaufnehmer des Keyphasors 9b zugeordnet. Der Impulsgeber des Keyphasors 3b weist einen Impuls pro voller Umdrehung auf. Der Impulsgeber des Keyphasors 3b wird zur Zählung der vollen Umdrehungen und zur Identifikation einer festgelegten Winkelposition, auch als Nullwinkel bezeichnet, verwendet. Diese Einheit aus Impulsgeber des Keyphasors 3b und Impulsaufnehmer des Keyphasors 9b wird auch als Keyphasor-Sensor oder kurz Keyphasor bezeichnet. Dem ersten Impulsgeber 3 ist ein weiterer Impulsaufnehmer 9a zugeordnet. Dieser weitere Impulsaufnehmer 9a ist zur phasenversetzten Detektion der Impulse des ersten Impulsgebers 3 angeordnet. Durch den Phasenversatz ist die Erkennung der Drehrichtung der Antriebswelle aus der Abfolge der detektierten Impulse durch den ersten Impulsaufnehmer 9 und den weiteren Impulsaufnehmer 9a möglich. Alle Impulsaufnehmer 9, 9a, 9b der ersten Messstelle 21 sind radial angeordnet. An der zweiten Messstelle 22 ist ein weitere Impulsaufnehnner 10a dem zweiten Impulsgeber 5 zugeordnet. Der weitere Impulsaufnehmer 10a ist zur Impulsaufnahme axial angeordnet. Der zweite Impulsgeber 5 ist mit einer Fehlstelle für die Erkennung einer Nullposition ausgestattet.
Durch die Impulsaufnehmer 10, 10a wird der Impulsgeber 5 sensortechnisch abgetastet. Der zweite und der weitere Impulsaufnehmer 10a sind derart zueinander angeordnet, dass durch die Abfolge der durch den zweiten und den weiteren Impulsaufnehmer aufgenommenen Impulse auf die Drehrichtung der Eingangswelle 6 geschlossen werden kann. Als Impulsgeber 5 kann insbesondere ein Zahnkranz vorgesehen sein. Häufig sind beide Impulsaufnehmer radial oder axial angeordnet, so dass Relativbewegungen in der Welle beide Impulsaufnhemer gemeinsam betreffen.
Durch das Impulsmuster des 3b oder zweiten Impulsgebers 5 können volle Umdrehungen detektiert werden. Für die Erkennung der vollen Umdrehungen und der Nullposition kann sowohl die detektierte Impulsabfolge durch den zweiten Impulsaufnehmer 10 oder die Impulsabfolge des weiteren Impulsaufnehmers 10a verwendet werden.
In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, dass die Antriebswelle 2 einen von der Eingangswelle 6 abweichenden Durchmesser aufweist. Der erste Impulsgeber 3 und der zweite Impulsgeber 5 können eine abweichende Anzahl an abtastbaren Impulsen, z.B. Zähne, pro 360° auf.
Bei dem bevorzugten Verfahren der Messung des Verdrehwinkels ist vorgesehen, dass zunächst die Winkelposition der Antriebswelle 2 und der Eingangswelle 6 zu gleichen Zeitpunkten bestimmt werden. Erst anschließend wird durch Vergleich der Winkelposition der Antriebswelle 2 mit der Winkelposition der Eingangswelle 6 der Verdrehwinkel bestimmt. Dadurch ist es unerheblich, ob für identische Verdrehwinkel bei der Antriebswelle 2 und der Eingangswelle 6 eine unterschiedliche Anzahl an Impulsen gemessen werden. Die Verdrehwinkelmessung wird nachfolgend noch im Detail anhand von Fig.3 beschrieben.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine Sendeeinheit 18 auf, durch die Signale versendet werden können. Weiterhin ist der Antrieb 16 mit einem Empfänger 23 versehen. Es kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf des Verdrehwinkels der Betrieb des Antriebs zur Reduzierung der auftretenden Verdrehwinkel verändert wird. Über den Empfänger können dem Antrieb zur Veränderung der Ansteuerung des Antriebs Signale übermittelt werden. So kann beispielsweise bei einem häufigen Schlupf eine Reduzierung der Antriebsleistung des Antriebs 16 vorgesehen sein. Bei einer hochelastischen Kupplung als Kompensationselement 4 kann bei auftretendem periodisch sich verändernden Verdrehwinkel die Drehzahl des Antriebs 16 verändert werden. Durch die Bestimmung der Winkelposition der Antriebswelle 2 und der Eingangswelle 6 und anschließender Differenzbildung kann eine hohe Genauigkeit erreicht werden. 360° Umbrüche werden bei der Verdrehwinkelbestimmung berücksichtigt. Auch die dynamische Erfassung des Schwingverhaltens ist damit problemlos möglich. Für die Bestimmung des absoluten Winkelversatzes wird die Winkelposition bezogen auf einen gesetzten Bezugspunkt bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt somit in Bezug auf einen vorbestimmten Bezugspunkt der Antriebswelle 2 und in Bezug auf einen vorbestimmten Bezugspunkt der Eingangswelle 6. Die Bezugspunkte werden auch als Nullwinkel bezeichnet. Die Antriebswelle 2 ist mit einem Bezugspunkt versehen und unabhängig von diesem Bezugspunkt ist die Eingangswelle 6 mit einem eigenen Bezugspunkt versehen.
Für eine Erhöhung der Genauigkeit kann vorgesehen sein, dass Sensor bedingte Einflüsse durch Kompensations-Parameter kompensiert werden. Ist z.B. als erster Impulsgeber ein Zahnrad vorgesehen, dass durch Zusammenfügen von zwei Zahnradhälften gebildet worden ist, so entspricht der Abstand zwischen den beiden Zähnen an den Anstoßstellen nicht exakt dem Abstand zwischen den übrigen Zähnen. Die Implementierung des Verfahrens bietet eine Art "Lernmodus" zur Ermittlung der Kompensationsparameter. Während der beliebig langen Lernphase bei möglichst konstanter und lastfreier Rotation werden die eingehenden Impulse vermessen. Während dem Lernmodus werden die detektierten Zahnabstände gemittelt, so dass durch eine längere Lernphase im Lernmodus das Resultat verbessert werden kann. Ist ein Nullwinkel bekannt, werden die einer Winkelposition zugeordneten Zahnabstände gemittelt. Dadurch können Unregelmäßigkeiten bei den Impulsgebern 3 und/oder 5 zugeordnet zur Winkelposition erkannt werden und bei der Ermittlung der Winkelposition berücksichtigt werden. Das trägt zu einer Erhöhung der Genauigkeit bei.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Kompensationselement 4 mit mehreren Temperatursensoren 74 versehen. Durch die Temperatursensoren kann die Temperatur des Kompensationselementes 4 bei der Bestimmung der momentanen Beanspruchung des Kompensationselementes mit berücksichtigt werden. Es kann vorgesehen sein, die momentanen Beanspruchungen aufzusummieren und mit einem vorbestimmten Lebensdauer zur Bestimmung einer verbleibenden Restlebensdauer zu vergleichen. Wird eine vorbestimmte Restlebensdauer unterschritten, so wird ein Triggersignal ausgesendet. Durch dieses Triggersignal kann eine Wartung und damit ein Austausch des Kompensationselementes 4 geplant werden. Dadurch kann frühzeitig ein Ausfall des Kompensationselementes 4 verhindert werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine gesonderte Auswerteeinheit 76 für die Bestimmung des Alterungszustandes bzw. der Restlebensdauer vorgesehen. Diese Auswerteeinheit 76 ist Bestandteil der Steuereinrichtung 15. Diese Auswerteeinheit 76 könnte auch als eigenständige Einheit ausgebildet sein.
Im Folgenden wird anhand von Figur 3 ein mögliches Verfahren zur Verdrehwinkelmessung beschrieben. Anhand von Fig. 3 wird die Bestimmung der Winkelposition/Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle 2 beschrieben. Die Bestimmung des Verdrehwinkels der Eingangswelle 6 erfolgt in gleicher Weise. Zur Ermittlung der aktuellen Winkelposition werden die erfassten Impulsfolgen nicht direkt miteinander in Bezug gesetzt. Anstelle dessen wird zunächst an beiden Messstellen (z.B. auf beiden Seiten der Kupplung) unabhängig voneinander die absolute Winkelposition mit einer möglichst hohen Genauigkeit erfasst. Die beiden so erfassten Winkel werden dann abschließend durch Differenzbildung unter Berücksichtigung der 360°-Umbrüche zum resultierenden Verdrehwinkel verrechnet. Diese Ansatz hat den Vorteil, dass bzgl. der Sensorik keine Abhängigkeiten zwischen beiden Messstellen 21 , 22 besteht. D.h. in erster Linie, dass die Anzahl der Impulse pro Umdrehung für beide Messstellen 21 , 22 variieren darf. Diese Freiheit ist in der Praxis oft wichtig, da an verschiedenen Messstellen 21 , 22 oft ein unterschiedlicher Durchmesser vorliegt, was unter Verwendung von Standard-Verzahnungen i.d.R. zu unterschiedlichen Zähnezahlen bzw. Impulsen führt.
Der Steuereinrichtung 15 werden über einen digitalen Eingang 25 Signale zugeführt. Diese Signale werden in eine Impulsfolge gewandelt, Schritt 26. Sind an der Messstelle 21 mehrere Impulsaufnehmer 9, 9a und 9b vorgesehen, so ist vorgesehen, dass aus den eingehenden Signalen jedes Impulsaufnehmers 9, 9a, 9b eine Impulsfolge generiert wird, Schritt 26.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, einen analogen Eingang 27 zu verwenden und aus den eingehenden Signalen eine Impulsfolge zu erzeugen, Schritt 28. Es kann die Verwendung von eingehenden analogen und digitalen Signalen zur Erzeugung von Impulsfolgen vorgesehen sein.
Bei der Verwendung einer Anordnung wie in Figur 1 wird pro Messstelle nur eine Impulsfolge generiert. Bei der Verwendung einer Anordnung gemäß Figur 2 werden in Bezug auf die erste Messstelle drei Impulsfolgen erzeugt und an der zweiten Messstelle werden zwei Impulsfolgen erzeugt. Das in Figur 3 dargestellte Flussdiagramm umfasst alle Verfahrensabläufe, die für die Weiterverarbeitung von generieten Impulsfolgen Anwendung finden.
Liegt eine Impulsfolge eines Keyphasors vor, so wird diese Impulsfolge optional in Schritt 42 einer Filterung der Signale unterzogen. Es werden einzelne Ausreißer entfernt. Auch bei den anderen vorliegenden Impulsfolgen kann eine Filterung der Signale in Schritt 31 vorgesehen sein, wobei bei der Filterung einzelne Ausreißer aus der Impulsfolge entfernt werden. Dass die Schritte 31 und 42 optional vorgesehen sind, ist durch die gestrichelte Umgehungslinie angedeutet.
Es können bei Schritt 31 parallel zwei Impulsfolgen einer Messstelle bearbeitet werden. Sind insbesondere zwei Impulsaufnehmer, wie 10, 10a oder 9 und 9a vorgesehen, so können zwei Impulsfolgen pro Messstelle einer Filterung, auch als Spike-Remover bezeichnet, unterzogen werden.
Ist ein Impulsgeber mit einer Unregelmäßigkeit z.B. in Form einer Fehlstelle versehen, so wird eine der die Unregelmäßigkeit beinhaltende Impulsfolge im Schritt 41 für eine Nullstellenerkennung verwendet und anhand dessen die Nullstelle bestimmt.
In Schritt 33 wird bei zwei phasenversetzt zueinander aufgenommene Impulsfolgen die Drehrichtungserkennung durchgeführt. Weiterhin wird bei mindestens einer der Impulsfolgen die Zählung der Impulse vorgenommen. Diese Zählung der Impulse kann durch die Erkennung der Impulsflanken von 0 nach 1 erfolgen. Dieses Ergebnis ist in 34 zusammengefasst. Bei negativer Drehrichtung wird rückwärts gezählt. Dieses Ergebnis wird in den Verfahrensschritten 43 und 44 verwendet. Die Anzahl an erfassten Impulsen aus 33 wird mit dem erkannten Nullwinkel, auch als Nullposition bezeichnet, in Schritt 43 oder 44 in Bezug gesetzt, Ergebnis 46. So liegt nun z.B. das Resultat vor, dass die aktuelle Winkelposition drei Impulse nach dem Nullwinkel bei Drehung in positiver Drehrichtung vorliegt. Welches die positive Drehrichtung ist, hängt letztendlich von der Anordnung der Sensor-Paare, bzw. von der Definition welcher Signaleingang 9 und welcher 9a ist.
Dieses Ergebnis 46 wird in Schritt 35 in einen Winkelwert umgewandelt. Bei Bezug auf eine Nullposition wird ein absoluter Winkelwert bestimmt. Liegen Korrekturparameter vor, so werden diese Korrekturparameter bei der Bestimmung des absoluten Winkelwertes mit berücksichtigt, Schritt 36. Dieser Schritt ist optional und erhöht die Genauigkeit des absoluten Winkelwertes. Die Korrekturparameter können worden sein oder in einem Lernmodus bei Inbetriebnahme ermittelt worden sein. Modul 70 stellt die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der absoluten Winkelposition dar. In Schritt 71 ist eine Interpolation zwischen den konkret bestimmten absoluten Winkelpositionen vorgesehen. Das Ergebnis liegt in 72 vor. Dieses Ergebnis bezieht sich nur auf eine Messstelle. In gleicher Weise ist die absolute Winkelposition für die weitere Messstelle ermittelt und anschließend wird dann durch Differenzbildung der Verdrehwinkel bestimmt, in Figur 3 nicht dargestellt.
In dem Modul 60 ist eine Bestimmung einer spezifischen Geschwindigkeit vorgesehen. In Verfahrensschritt 61 werden die Winkelstützpunkte zu Geschwindigkeitswerten transformiert. Weiterhin ist eine Interpolation zwischen den Geschwindigkeitsstützpunkten vorgesehen. Das Ergebnis wird in 62 dargestellt. Dieses Ergebnis 62 bezieht sich auf eine Messstelle. Eine derartige Bestimmung kann auch für die andere Messstelle durchgeführt werden und es kann die Differenz der Geschwindigkeiten zwischen den Messstellen dargestellt werden. Die Genauigkeit der Winkelerfassung wird durch verschiedene Aspekte, wie
Abtastung, Impulszahl, Messfehler und Interpolation beeinflusst. Einige durch die
Hardware bedingten negativen Effekte können durch Verarbeitungsschritte in dem Verfahren gemindert oder auch kompensiert werden. Abtastung:
Beim Übergang von der Sensorik zur softwareseitigen Verarbeitung ist zunächst die möglichst genaue zeitliche Bestimmung der Impuls-Flanke von Bedeutung. Aus dem Grund werden die eingehenden Digitalsignale der Impulsaufnehmer 9, 9a, 9b, 10, 10a von den Impulsgebern 3, 3b , 5 mit einer hohen Abtastrate erfasst und ausgewertet. Mit der bis dato eingesetzten Hardware lassen sich Raten in der Größenordnung von 2 MHz realisieren. Die resultierende Winkelgenauigkeit an der Flanke des Impulsgebers hängt dann noch von der Drehzahl ab. Bei einer typischen Drehzahl von 1500 rpm (= 25 Hz) entsprechen die 2 MHz Abtastrate einer Winkelschrittweite von 0,0045°.
Messfehler:
Sollte es bei der digitalen Erfassung zu Messfehlern in Form von vereinzelten Ausreißern kommen ("Spikes"), so lassen sich diese SW-Seitig durch einen optional vorschaltbaren "Spike-Remover" beheben.
Impulse/ Zähneanzahl:
Die zuvor genannte Genauigkeit bezieht sich immer nur auf die Flanke. Um die Dynamik über den Umfang hinweg genauer bestimmen zu können, werden Zahnkränze mit ausreichend Impulsen, also Zähnen, pro Umdrehung appliziert.
Interpolation:
Zur Erhöhung der Genauigkeit zwischen den Impulsflanken werden dort die Winkelpositionen linear interpoliert. Dies wird durch die Strategie der leicht zeitverzögerten Auswertung von Eingangssignalen bei der Berechnung ermöglicht. Bei Bedarf ließe sich die Genauigkeit durch Vorsehen einer quadratischen Interpolation noch ein wenig verbessern.
Die Genauigkeit kann durch weitere Maßnahmen wie die Kompensation und die Mittelung weiter erhöht werden.
Kompensation:
Wenn sich ein Impulsgeber/Zahnkranz bereits vor der Montage der Kupplung bzw. das Kompensationselement 4 applizieren lässt, ist es ggf. möglich diesen als Ganzes zu integrieren. Dadurch lässt sich von der mechanischen Seite her eine optimale Gleichverteilung der Impulse auf dem Umfang erzielen. Bei nachträglicher Applikation eines Zahnkranzes ist es teilweise unumgänglich, diesen in zwei Hälften aufzusetzen. An den beiden Stoßstellen lässt sich die exakte Gleichverteilung der Impulsabstände dann nicht mehr gewährleisten. Aus dem Grund beinhaltet das Verfahren die Option zur Kompensation von ungleichförmigen Impulsverteilungen. Die Ermittlung der für die Kompensation notwendigen Parameter wird in dem hier umgesetzten Verfahren durch eine Art "Lernmodus" unterstützt. Im Lernmodus werden bei konstanter, unbelasteter Drehung die Zahnabstände automatisch vermessen. Eine Lernfahrt kann beliebig lange durchgeführt werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit, werden die ermittelten Impuls-Positionen über die komplette Lernfahrt gemittelt.
Mittelung über Zeitfenster:
Die direkt ermittelten Verdrehwinkel beziehen sich durch die Interpolation immer auf die jeweils umgebenden Impulsgeber. Zur Ermittlung eines relativ statischen Verdrehwinkels, lässt sich die Genauigkeit dieses dynamischen Signals per Mittelung (gleitendes Mittelungs-Fenster) noch erhöhen.
Neben der hochdynamischen Bestimmung der Winkelpositionen lässt sich basierend auf dieser Messkette (inkl. optionaler Kompensation ungleichförmiger Impuls- Verteilungen) ebenfalls die dynamische Drehzahl ermitteln.
Bezugszeichenliste:
1 Verdrehwinkelmessvorrichtung, Vorrichtung zur Messung des Verdrehwinkels
2 Antriebswelle
3 erster Impulsgeber, antriebsseitiger Zahnkranz
3b Impulsgeber des Keyphasors
4 Kompensationselement
5 zweiter Impulsgerber, verbraucherseitiger Zahnkranz
6 Eingangswelle
9 erster Impulsaufnehnner; antriebswellenseitiger Impulsaufnehnner
9a weiterer Impulsaufnehmer
9b Impulsaufnehmer des Keyphasors
10 zweiter Impulsaufnehmer;
10a weiterer Impulsaufnehmer
1 1 Signalverbindung des ersten Sensors der Steuereinrichtung
12 Signalverbindung ( zweiter Sensor- Steuereinrichtung)
15 Steuereinrichtung
16 Antrieb
17 Verbraucher
18 Sender
19 Antriebsanordnung
21 erste Messstelle
22 zweite Messstelle
23 Empfänger
25 digitaler Eingang, Eingangssignal
26 Wandlung in Impulsfolge
27 analoger oder SW-seitig vorverarbeiteter Messkanal
28 Wandlung in Impulsfolge
31 Signalbereinigung, Spike-Remover (Messausreißer)
33 Erkennung der Flanken; Überführung in Impulszähler (bei variierender
Drehrichtung In- und Dekrementierung)
34 Ergebnis Impulszähler Umwandlung des Impulszählers in Winkelpositionen
Korrekturparameter bei der Winkelbestimmung
Nullwinkelbestimmung aus Unregelmäßigkeit/Fehlstelle
Signalbereinigung bei der Impulsfolge mit einem Impuls pro Umdrehung Anpassung Impulszähler an Nullwinkel basierend auf
Unregelmäßigkeit/Fehlstelle
Anpassung Impulszähler an Nullwinkel aus Kephasor Signal
Auf Nullwinkel bezogener Impulszähler
Drehzahlbestimmung
Transformation der Winkelstützpunkte in Drehzahlstützpunkte und Interpolation
resultierendes Drehzahlsignal
Winkelbestimmung
Interpolation zwischen den Winkelstützpunkten
resultierendes Winkelsignal
Temperatursensor
Auswerteeinheit für den Alterungszustand/Restlebensdauer

Claims

Patentansprüche
1 . Verdrehwinkelmessvorrichtung (1 ) für eine Antriebsanordnung (19) mit einer rotatorisch antreibbaren Antriebswelle (2), wobei die Antriebswelle (2) über ein Kompensationselement (4) mit einer Eingangswelle (6) verbunden ist, wobei die Verdrehwinkelmessvorrichtung (1 ) mindestens einen an einer ersten Messstelle (21 ) mit der Antriebswelle (2) drehfest verbundenen ersten Impulsgeber (3) umfasst und wobei antriebswellenseitig ein erster Impulsaufnehmer (9) an der ersten Messstelle (21 ) dem ersten Impulsgeber (3) zugeordnet ist, auf der Eingangswelle (6) an einer zweiten Messstelle (22) drehfest mindestens ein mit der Eingangswelle (6) drehfest verbundener zweiter Impulsgeber (5) angeordnet ist, wobei diesem eingangswellenseitigen zweiten Impulsgeber (5) ein eingangswellenseitig angeordneter zweiter Impulsaufnehmer (10) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Signale des ersten Impulsaufnehmers (9) und des zweiten Impulsaufnehmers (10) einer Steuereinrichtung (15) zugeführt werden und wobei ein Verdrehwinkel zwischen der ersten ( 21 ) und zweiten Messstelle (22) durch die Steuereinrichtung basierend auf einer bestimmten Winkelposition der ersten Messstelle ( 21 ) und basierend auf einer bestimmten Winkelposition der zweiten Messstelle (22) ermittelbar ist.
2. Verdrehwinkelmessvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Impulsgeber (3) pro voller Umdrehung eine Anzahl an Impulsmarken umfasst, die von der Anzahl der Impulsmarken pro voller Umdrehung des zweiten Impulsgebers (5) abweicht.
3. Verdrehwinkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer, vorzugsweise beide der Impulsgeber (3,5) eine Unregelmäßigkeitsstelle aufweist.
Verdrehwinkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens einem der Impulsgeber (3,5) zwei Impulsaufnehmer (9, 9a; 10, 10a) zugeordnet sind, die die Impulse des Impulsgebers phasenversetzt zur Erkennung der Drehrichtung aufnehmen.
Verdrehwinkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Impulsaufnehmer der Antriebswelle (9) und einer der Impulsaufnehmer (10) der Eingangswelle mindestens eine Abtastrate von 1 MHz, vorzugsweise von mindestens 2 Mhz aufweisen.
Verdrehwinkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Messstelle (21 ) mit einer Markierung eines Nullwinkels und die Messstelle (22) mit einer Markierung eines Nullwinkels versehen ist, wobei durch die Steuereinrichtung eine absolute Winkelposition der Antriebswelle (2) und eine absolute Winkelposition der Eingangswelle (6) ermittelbar sind.
Verdrehwinkelmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die ermittelten absoluten Winkelpositionen der ersten Messstelle der Antriebswelle (2) und die ermittelten absoluten Winkelpositionen der zweiten Messstelle der Eingangswelle (6) in einem Speicher gespeichert werden und auslesbar sind.
Verfahren zur Bestimmung eines Verdrehwinkels zwischen einer ersten Messstelle (21 ) und einer zweiten Messstelle (22), wobei die erste Messstelle (21 ) einer als Antriebswelle (2) bezeichneten Welle zugeordnet ist und wobei die zweite Messstelle (22) einer als Eingangswelle (6) bezeichneten Welle zugeordnet ist, , mit den folgenden Verfahrensschritten:
• Zuleiten von eine Rotationsbewegung charakterisierenden Impulssignalen der ersten Messstelle (21 ) zu einer Steuereinrichtung und
• Generieren einer der ersten Messstelle zugeordneten ersten Impulsfolge aus den Impulssignalen durch die Steuereinrichtung (15)
• Bestimmung eines zeitabhängigen Winkelsignals (70) der Antriebswelle aus der ersten Impulsfolge
• Zuleiten von eine Rotationsbewegung charakterisierenden zweiten Impulssignalen der zweiten Messstelle (22) zu einer Steuereinrichtung (15)
• Generieren einer zweiten Impulsfolge der zweiten Messstelle (22) aus den Impulssignalen durch die Steuereinrichtung (15)
• Bestimmung eines zeitabhängigen Winkelsignals der Eingangswelle (6) aus der zweiten Impulsfolge
• Bestimmung des Verdrehwinkels durch Vergleich des zeitabhängigen Winkelsignals von Antriebswelle (2) und Eingangswelle (6) zwischen der ersten Messstelle (21 ) und der zweiten Messstelle (22).
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei konstanter Geschwindigkeit die detektierten Impulssignale der Antriebswelle (2) an der ersten Messstelle (21 ) und/oder der Eingangswelle (6) an der zweiten Messstelle (22) periodisch erfolgen und wobei in der Steuereinrichtung (15) ein einem Impulssignal zugeordneter Winkelwert hinterlegt ist, wobei vorzugsweise ein für die Impulse der Antriebswelle vorbestimmter Winkelwert und ein für einen Impuls der Eingangswelle vorbestimmter Winkelwert hinterlegt sind.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass bei dem Verfahren ein Lernmodus (36) vorgesehen ist, wobei in dem Lernmodus bei konstanter Drehung der Antriebswelle (2) und/oder der Eingangswelle (6) im unbelasteten Zustand die Impulsabstände vermessen und pro Umdrehung sich wiederholende Abweichungen, auch als Korrekturparameter bezeichnet, erkannt und in der Steuereinrichtung (15) in Bezug auf eine Nullposition/Nullwinkel hinterlegt werden. 1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren eine Nullpositionserkennung (41 , 43 ) für mindestens eine der Messstellen umfasst, wobei die Nullpositionserkennung durch eine zusätzliche Impulsfolge durch einen zusätzlichen Impulsgeber (3b), eine Nullposition markierend, realisiert ist oder durch mindestens eine in der
Impulsfolge pro 360° vorbestimmte Unregelmäßigkeit erkannt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren eine Drehrichtungserkennung für mindestens eine der
Messstellen (21 , 22) umfasst, wobei die Drehrichtungserkennung durch die Abfolge der Impulse der zusätzlichen Impulsfolge (9a, 10a) durch die Steuereinrichtung (15) erkannt wird. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus mindestens einer der Impulsfolgen, vorzugsweise aus allen Impulsfolgen, Messfehler in Form von einzelnen Ausreißern erkannt werden und aus der Impulsfolge durch einen Spike-Remover (31 , 42) behoben werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
, dadurch gekennzeichnet, dass In einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen ist, dass weitere
Messsignale die lokale Temperatur an mindestens einer, vorzugsweise mehreren Stellen des Kompensationselementes (4) oder der Kompensationselemente (4) erfassen.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
, dadurch gekennzeichnet,
dass aus den erfassten Daten zur Beanspruchung des Kompensationselementes (4) die Alterung und die voraussichtliche Restlebensdauer des Kompensationselements (4) ermittelt werden und vorzugsweise bei Unterschreiten einer vorbestimmten Restlebensdauer eine Triggersignal ausgesendet wird.
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