CN107923803A - 非接触式扭矩测量方法 - Google Patents

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石井祐一
高桥宏
高桥一宏
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Abstract

本发明提供一种非接触式扭矩测量方法，难以发生运动负荷引起的故障、异常，削减扭矩检测所需的部件数、组装工时，难以发生粉尘、油、污垢引起的误操作、无法测量的情况，无需将装置设置为密闭构造。为此，该扭矩测量方法在扭矩传递系统中测量的驱动侧金属旋转体与从动侧金属旋转体之间传递的扭矩，对在圆周上一部分或者轴向端面设置有凹凸状的标记部的金属旋转体分别以非接触的方式邻近配置由电磁线圈构成的检测部，在检测部与金属旋转体之间引起电磁感应，并且通过测量检测部中的感应负荷来检测检测部与金属旋转体之间的距离和标记部的位置，通过随着扭矩传递测量在两个金属旋转体产生的标记部的旋转速度和旋转相位差进行运算处理，计算出传递扭矩值。

Description

非接触式扭矩测量方法
技术领域
本发明涉及在旋转扭矩传递系统中通过非接触式构造来测量传递扭矩的大小的非接触扭矩测量方法。
背景技术
在现有技术中，例如，在测量膜片联轴器中的传递扭矩大小时，使用应变仪测量应变量计算出扭矩(应变仪方式)。除此以外，正在开发下述技术：通过利用光学系统的光学读取方式、组装在旋转部上的磁性圆盘的磁头读取方式测量旋转，根据旋转相位差计算出扭矩。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开昭62-155338号公报
专利文献2：日本实开平2-88140号公报
但是，对于这些现有技术，指出了下述问题。
(1)在应变仪方式或磁头读取方式中，在联轴器旋转部组装有应变仪、磁性圆盘等检测体，因此，经常会对这些检测体作用运动负荷。由于经常对检测体作用运动负荷，因此检测体有时会发生故障或异常。另外，在这些方式中，测量装置的部件数、组装工时较多，装置的制造费用较高。
(2)在光学读取方式中，在读取部周围产生粉尘等的情况下，该粉尘等会引起误操作。另外，有时在读取部附着有油、污垢而导致无法测量。
(3)在磁头读取方式中，齿轮部分高速旋转，比较危险，因此需要将装置设置为密闭构造。
发明内容
本发明鉴于以上问题点，目的在于提供一种非接触式扭矩测量方法，难以发生运动负荷导致的故障、异常，能够削减扭矩检测所需的部件数、组装工时，难以发生粉尘、油、污垢导致的误操作、无法测量的情况，无需将装置设置为密闭构造。
为了实现上述目的，本发明的权利要求1所涉及的非接触式扭矩测量方法是在扭矩传递系统中测量驱动侧金属旋转体与从动侧金属旋转体之间传递的扭矩的扭矩测量方法，其特征在于，对在圆周上一部分或者轴向端面设置有凹凸状的标记部的所述金属旋转体分别以非接触的方式邻近配置由电磁线圈构成的检测部，在所述检测部与所述金属旋转体之间引起电磁感应，并且通过测量所述检测部中的感应负荷来检测所述检测部与所述金属旋转体之间的距离以及所述标记部的位置，通过随着扭矩传递测量在所述两个金属旋转体产生的所述标记部的旋转速度以及旋转相位差进行运算处理，计算出传递扭矩值。
另外，本发明的权利要求2所涉及的非接触式扭矩测量方法的特征在于，在上述权利要求1所述的非接触式扭矩测量方法中，在测量所述旋转相位差时，将脉冲化的抽样数据中的重心位置作为相位检测的基准点。
另外，本发明的权利要求3所涉及的非接触式扭矩测量方法的特征在于，在上述权利要求1或2所述的非接触式扭矩测量方法中，驱动侧金属旋转体以及从动侧金属旋转体是膜片联轴器中的驱动侧膜片以及从动侧膜片。
具备上述结构的本发明的非接触式扭矩测量方法如下所述：
(a)通过电磁感应方式的距离测量，以非接触方式测量金属旋转体的微小凹凸(标记部)，
(b)检测设置在金属旋转体(膜片等)的外周面或者端面的凹凸(标记部)，
(c)通过凹凸(标记部)的检测，检测从两个旋转体中产生的脉冲的相位差，测量扭矩。
本发明可以实现以下效果。
即，根据本发明，对金属旋转体仅增设凹凸状的标记部，无需组装应变仪、磁性圆盘等检测体，因此，不会由于旋转负荷而在检测体上发生故障、异常。另外，能够大幅度削减扭矩检测所需的部件数、组装工时。另外，凹凸状的标记部较为微小，因此构造简单，无需设置为密闭构造。另外，对于检测部的配置而言可以增大自由度。并且，由于测量距金属旋转体表面的距离，因此，难以发生粉尘、油、污垢等导致的误操作、无法测量的情况。
附图说明
图1是本发明的实施例所涉及的非接触式扭矩测量方法中的作为测量对象的膜片联轴器的说明图以及非接触型扭矩测量装置的说明图。
图2是表示感应负荷波形的说明图。
图3是表示无负荷/低速旋转时的输出波形的说明图。
图4是表示负荷/高速旋转时的输出波形的说明图。
图5(A)是表示标记部的实测数据的说明图，图5(B)是表示周期计算的基准点的说明图。
图6(A)是表示标记部的抽样数据的说明图，图6(B)是表示计算对象差分数据的说明图
图7是表示抽样时间的重心位置的说明图。
图8是表示可变阈值的说明图。
符号说明
1 膜片联轴器
2 驱动侧膜片(驱动侧金属旋转体)
3 从动侧膜片(从动侧金属旋转体)
4 中心管
5、7 凸缘
6、8 保护件
9、10 凹凸状的标记部
11、12 检测部(线圈)
13、14 线
15 感应负荷传感器主体
16 测量MPU
具体实施方式
下面，基于附图，对本发明的实施例进行说明。
该实施例所涉及的非接触式扭矩测量方法测量作为扭矩传递系统的膜片联轴器中的驱动侧膜片(驱动侧金属旋转体)与从动侧膜片(从动侧金属旋转体)之间传递的传递扭矩大小。
如图1所示，膜片联轴器1将驱动侧膜片2以及从动侧膜片3经由中心管4彼此连接，并且，从驱动侧膜片2经由中心管4向从动侧膜片3传递扭矩。驱动侧膜片2夹持在驱动侧凸缘5与保护件6之间，驱动侧凸缘5与驱动侧的旋转轴(未图示)连接。从动侧膜片3夹持在从动侧凸缘7与保护件8之间，从动侧凸缘7与从动侧的旋转轴(未图示)连接。驱动侧膜片2以及从动侧膜片3分别由具有导电性的金属材质构成。
作为上述膜片联轴器1中的本发明特有的结构，在驱动侧膜片2的外周部(外周面或者轴向端面)以及从动侧膜片3的外周部(外周面或者轴向端面)分别使圆周上的位置一致地在圆周上一部分设置凹凸状的标记部9、10(如果预先知道凹凸状标记部9、10的偏移量，则无需一定使圆周上的位置一致)。作为凹凸状的标记部9、10的具体例子，可以通过切削加工在圆周上一部分形成凹部，除此以外，例如也可以将厚度大约为0.1～0.2mm的不锈钢密封件粘贴在各膜片2、3的外周部，从而将它们作为圆周上一部分的凸部。
图1同时示出了安装于上述膜片联轴器1的非接触式扭矩测量装置的构造。
如上所述，在驱动侧膜片2的外周部以及从动侧膜片3的外周部分别在圆周上的位置一致地在圆周一部分设置凹凸状的标记部9、10，在各膜片2、3的外周侧且离开一定距离的位置分别以非接触的方式配置由电磁线圈构成的检测部11、12。检测部(线圈)11、12分别经由线13、14与感应负荷传感器主体15以及测量MPU16连接。感应负荷传感器主体15使检测部(线圈)11、12振荡，根据其负荷变化测量检测部(线圈)11、12与膜片2、3之间的距离。凹凸状的标记部9、10与它们以外的未进行凹凸加工的部分相比，由于检测部(线圈)11、12与膜片2、3之间的距离发生变化，因此可以作为旋转检测的标记而发挥作用。对于检测部(线圈)11、12，可以使用廉价的PCB式线圈。
下面，说明基于上述距离测量的扭矩计算方法。
旋转时，检测部(线圈)11、12的感应负荷变化的输出波形如图2所示。在该例子中，作为凹凸状的标记部9、10，示出了进行非凸加工即凹加工时的实测波形数据，因此，在标记部9、10的位置P1～P4，负荷值急剧降低。
相对于两膜片2、3以非接触方式邻近配置的检测部(线圈)11、12无负荷时或者低速旋转时如图3所示，两检测部(线圈)11、12的相位以一致的方式进行适当的调整。以机械方式进行调整，或者通过电路或软件进行调整。图中，线A表示驱动侧的检测部11，线B表示从动侧的检测部12。
如果施加负荷，则中心管4被扭曲，因此如图4所示，两侧的输出相位发生偏移(用g表示偏移)。由此，检测该相位差，根据旋转速度以及相位差通过测量MPU16进行运算处理，从而通过计算求出传递扭矩值。
另外，对于凹凸状的标记部9、10，也可以将它们不设置在膜片2、3上而设置在与膜片2、3接合的凸缘5、7或者保护件6、8上。
另外，本发明的测量方法不限于膜片联轴器，在测量两个金属旋转体和将它们连接的圆柱的驱动侧与从动侧的扭矩的情况下也有效。
另外，在进行上述相位差检测时，以下的方式也是有效的。
1、重心检测
(1)概要
如图5(A)、5(B)所示，根据现有的用于周期计算的基准点计算方法，将标记部的数据脉冲化，如果抽样数据上升，则将与阈值(threshold)交差的上升边缘的位置作为相位检测的基准点(基于边缘的基准点)，但是，在该方法中，仅可以看到抽样数据大于或者小于阈值，而没有考虑抽样数据量的变化。对此，如图5(B)所示，通过将重心的位置代替上述上升边缘的位置作为相位检测的基准点(基于重心的基准点)，能够考虑到抽样数据量的变化，从而提高基准点检测精度。
(2)实现方法
如图6(A)所示，将表示阈值以下的值的抽样数据作为计算对象数据求出重心。首先，求出计算对象数据的合计，从合计数据的1/2中依次减去各计算对象数据，将加法运算结果为0以下时刻的计算对象数据作为包含重心的抽样数据。然后，根据该包含重心的抽样数据与剩余差值的比例，求出抽样时间内的位置，作为重心。用于重心计算的阈值可以是后面所述的由可变阈值确定的阈值。对于1个抽样时间，可以根据旋转速度等使用条件进行最适当的时间设定。
更详细地讲，首先，合计作为计算对象的抽样数据的值。其中，如图6(B)所示，针对每个计算对象数据，计算出从阈值中减去计算对象数据的计算对象差值数据，合计该计算对象差值数据。
计算对象差值数据：DX＝阈值-抽样数据
公式1
合计：
然后，从上述合计数据的1/2中依次减去各计算对象差值数据，将减法运算结果为0以下的点作为存在重心的抽样数据。
S/2-D1＝S1
S1-D2＝S2
S2-D3＝S3
以下重复进行减法直至减法运算结果为0以下。
然后，根据上述重心位置的抽样数据与剩余差值的比例计算出重心，确定相对于抽样时间的重心位置。
差值为0以下时的存在重心的抽样数据：DX
剩余差值：SX
抽样时间：T
重心＝SX/DX×T
例如，在DX＝1000，SX＝200，T＝75的情况下，
重心＝200/1000×75＝15
由此，如图7所示，在重心位置数据的75us中的15us的位置求出重心。
2、可变阈值
(1)概要
在现有的方法中，机器使用者确定阈值，设定在寄存器中，但是在由于旋转而发生偏心的情况下或者轴向上发生位移的情况下，预计传感器数据的基础值发生变化，设定的阈值会偏离正常条件。因此，通过反映当前的基础值而自动确定最适合的阈值，能够提高脉冲化精度。
(2)实现方法
求出对应于当前脉冲到下一次脉冲或者1次旋转后的自脉冲的阈值。即，如图8所示，首先，保持脉冲期间的最小值。然后，在脉冲期间结束后，等待半个脉冲期间的时间。在时间经过后，根据抽样数据的平均求出基础值。然后，根据最小值与基础值的平均计算出阈值。根据该方法，通过寄存器设定能够对上升或者下降的阈值进行调整。另外，将基础值的平均数作为脉冲期间的抽样数据数。

Claims (3)

1.一种非接触式扭矩测量方法，用于在扭矩传递系统中测量驱动侧金属旋转体与从动侧金属旋转体之间传递的扭矩，其特征在于，
对在圆周上一部分或者轴向端面设置有凹凸状的标记部的所述金属旋转体分别以非接触的方式邻近配置由电磁线圈构成的检测部，
在所述检测部与所述金属旋转体之间引起电磁感应，并且通过测量所述检测部中的感应负荷来检测所述检测部与所述金属旋转体之间的距离以及所述标记部的位置，
通过随着扭矩传递测量在所述两个金属旋转体产生的所述标记部的旋转速度以及旋转相位差并进行运算处理，计算出传递扭矩值。
2.根据权利要求1所述的非接触式扭矩测量方法，其特征在于，
在测量所述旋转相位差时，将脉冲化的抽样数据中的重心位置作为相位检测的基准点。
3.根据权利要求1或2所述的非接触式扭矩测量方法，其特征在于，
所述驱动侧金属旋转体以及从动侧金属旋转体是膜片联轴器中的驱动侧膜片以及从动侧膜片。
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