CN108151634B - 位置测量机构和用于运行位置测量机构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位置测量机构和用于运行位置测量机构的方法，具体而言，一种位置测量机构，包括•带有测量刻度的刻度载体，所述刻度载体抗转动地与轴能够连接，•扫描单元用于通过扫描所述测量刻度产生扫描信号，•评估电子机构用于将所述扫描信号处理成所述轴的数字的角度值，•接口单元用于与后续电子机构通讯。所述扫描单元能够装配在沿所述轴的轴向方向能运动地支承的机器部件上，从而所述扫描信号取决于所述机器部件沿所述轴的轴向方向的位置。由所述评估电子机构从所述扫描信号中能够测定用于所述机器部件的这种位置的量度。本发明此外涉及用于运行这种位置测量机构的方法。

Description

位置测量机构和用于运行位置测量机构的方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的位置测量机构，以及根据权利要求8的前序部分的、用于运行这样的位置测量机构的方法。此外本发明涉及根据权利要求15所述的、用于电动马达的制动系统。

背景技术

位置测量机构尤其在自动化技术中非常频繁地需要，以便监视线性的和旋转的运动。为了监视线性的运动使用所谓的长度测量仪器，反之为了测量旋转的运动使用所谓的转动发送器或角度测量仪器。

旋转的运动通常通过电动马达产生，所述电动马达驱动马达轴，所述马达轴必要时经由离合器和传动机构使技术设备的机器部件运动。为了能够实行精密的定位过程，将电动马达在调节回路中运行，在此还提到伺服驱动器。为了连续地测量对于调节所需的位置实际值，将轴的角度位置和/或转速由位置测量机构（转动发送器或角度测量仪器）来监视。

EP1126248A2描述了一种适用于此的位置测量机构。所述位置测量机构包括在刻度载体上的测量刻度，所述刻度载体抗转动地与轴能够连接，从而测量刻度在垂直于轴的转动轴线的测量刻度平面中转动。为了扫描测量刻度，在运行中对置于所述测量刻度的是扫描单元，所述扫描单元布置在平行于测量刻度平面的扫描平面中。平面的间距界定为扫描间距。所述扫描间距在装配位置测量机构时尽可能精密地得到调整，以便实现理想的运行状态。

除了轴的转动运动外，通常还将对机器部件的线性的运动进行测量，所述机器部件沿马达轴的轴向方向运动。这例如在制动装置中是这样的情况。所述制动装置用于能够将电动马达在干扰情况中快速地制动并且能够将其置于静止状态。在此，沿轴的轴向方向能运动地支承的机器部件以一力被压到制动盘上，所述制动盘抗转动地与轴连接。通过接触产生摩擦，所述摩擦引起制动作用。于在其中发生摩擦的区域中，为了优化制动过程布置有制动衬片。因为所述制动衬片由于制动而随着时间被磨掉，所以期望的是，监视制动衬片的厚度，以便能够将所述制动衬片在维护的进程中提早地进行更换。能够例如通过如下路径的测量来推断出制动衬片的厚度，能运动地支承的机器部件为了激活制动必须经过所述路径。为此，能够使用长度测量机构。但这与大的结构上的消耗相联系并且此外是昂贵的。

发明内容

本发明的任务是，给出一种装置，利用所述装置对机器部件沿马达轴的轴向方向的位置能够以小的附加消耗来测量。

所述任务通过根据权利要求1的位置测量机构来解决。

在此，提出一种位置测量机构，其包括

•带有测量刻度的刻度载体，所述刻度载体抗转动地与轴能够连接，

•扫描单元用于通过扫描所述测量刻度产生扫描信号，

•评估电子机构用于将所述扫描信号处理成所述轴的数字的角度值，以及

•接口单元用于与后续电子机构通讯。

所述扫描单元能够装配在沿所述轴的轴向方向能运动地支承的机器部件上，从而所述扫描信号取决于所述机器部件沿所述轴的轴向方向的位置。由所述评估电子机构从所述扫描信号中能够测定用于所述机器部件的这种位置的量度。

此外，本发明的任务是，给出一种方法，利用其对机器部件沿马达轴的轴向方向的位置能够以小的附加消耗来测量。

所述任务通过根据权利要求8的方法解决。

在此，提出一种用于运行位置测量机构的方法，所述位置测量机构包括

•带有测量刻度的刻度载体，所述刻度载体抗转动地与轴能够连接，

•扫描单元用于通过扫描所述测量刻度产生扫描信号，

•评估电子机构用于将所述扫描信号处理成所述轴的数字的角度值，以及

•接口单元用于与后续电子机构通讯。

所述扫描单元装配在沿所述轴的轴向方向能运动地支承的机器部件上，从而所述扫描信号取决于所述机器部件沿所述轴的轴向方向的位置。在所述评估电子机构中从所述扫描信号中测定用于所述机器部件的这种位置的量度。

特别有利的是根据本发明的位置测量机构的应用以及相对应的方法结合根据权利要求15的马达制动器的实施。

附图说明

本发明的有利的设计方案由从属于权利要求1和8的权利要求、以及由实施例的下面的描述得知。

其中

图1示出根据本发明的位置测量机构的方块图，

图2示出马达制动系统的简化的剖面图示，以及

图3示出根据本发明的位置测量机构的备选的实施方式的方块图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的位置测量机构的实施例。所述位置测量机构包括带有测量刻度13的刻度载体12、带有扫描元件14的扫描单元15、评估电子机构20、以及接口单元30。

刻度载体12是盘形并且测量刻度13径向地围绕盘的转动点布置。所述刻度载体与轴100能够连接，从而测量刻度13在垂直于轴100的转动轴线110的测量刻度平面V中旋转。扫描单元15相对于刻度载体12布置，从而扫描元件14位于扫描平面W中，所述扫描平面处于平行于测量刻度平面V。由利用扫描元件14扫描测量刻度13来产生扫描信号A、B，所述扫描信号引入给评估电子机构20。至少两个扫描信号A、B具有相移，所述相移允许确定转动方向。相移通常为90°。

在位置测量机构中使用不同的物理的扫描原理、例如光学的、磁的、电容的或感应的扫描原理。

无关于扫描原理，扫描信号A、B一方面取决于位置，也就是说所述扫描信号在转动的轴100的情况下取决于所述轴的角度位置α地改变，但另一方面所述扫描信号还取决于扫描间距D、也就是说在测量刻度13与扫描元件14之间的间距。在示例中，其相应于在测量刻度平面V与扫描平面W之间的间距。

评估电子机构20由扫描信号A、B以已知的方式测定刻度载体12和由此轴100的角度位置α和必要时转速n。此外，评估电子机构20由扫描信号A、B测定扫描间距D。为此，能够对扫描信号A、B的幅度值或峰峰值进行评估，但还能够考虑扫描信号A、B的瞬时值。能够影响扫描信号A、B的其它的因素、如例如轴100的转速能够必要时在测定扫描间距D时一起进行考虑。

扫描间距D能够直接地作为位置值或还间接地例如作为电压值来给出。（例如由开头提及的EP1126248A2）已知如下位置测量机构，在其中，扫描单元15的激励信号基于扫描信号A、B如下地再调节，使得扫描信号A、B始终具有相同的信号幅度。在这样的调节中例如用于调整激励信号的调控参量，或确定激励信号的引导参量为用于扫描间距D的量度。在示出的示例中，调控参量是激励电流I。

角度位置α、转速n和扫描间距D能够引入给接口单元30并且从所述接口单元能够传递到后续电子机构80。有利地，接口单元30实施为数字的、串行的接口。通常，后续电子机构80是所谓的主机，所述主机触发每次的数据传递，并且位置测量机构是所谓的从机，当所述从机经由接口单元30获得相应的指令时，所述从机仅仅传递数据。

根据现有技术，目的总是在于在装配时将扫描间距D尽可能精密地调整并且将刻度载体12和扫描单元15如下地进行装配，使得防止沿轴100的转动轴线的方向的运动。以这种方式避免了起源于扫描间距D的改变的、扫描信号A、B的信号幅度的变化，并且总是有理想的扫描信号A、B可供用于测定角度位置α和转速n。例如由于轴100的由温度决定的长度变化或刻度载体的摇摆运动等所引起的、扫描间距D的最小的改变能够仍然出现，从而扫描间距D最大在范围ΔD1中改变。

根据本发明的位置测量机构此时适宜地设计成，扫描单元15相对于刻度载体12沿轴100的轴向方向Z能运动地能够装配、例如能够装配在沿轴向方向Z能运动地支承的机器部件50上，所述机器部件在此仅仅示意性示出。装配如下进行，使得扫描间距D针对位置测量机构的通常运行被精密地调整，从而扫描间距D仅仅在第一范围ΔD1中改变。对扫描间距D在第一范围ΔD1中的变化负责的例如是热膨胀效应。然而现在在间距测量运行中允许扫描间距D在第二范围ΔD2中的变化，所述第二范围大于第一范围ΔD1并且包含所述第一范围。在第二范围ΔD2中将角度位置α必要时以减少的精度继续能够进行测定。有利地，在间距测量运行中允许轴100的、比在通常运行中低的转速。特别有利的是，间距测量运行在轴100的静止状态中得到执行。

如果此时机器部件50运动（在其上装配了扫描单元15），则能够通过测量扫描间距D还测量机器部件50的位置。换言之，扫描间距D是用于机器部件50的位置的量度。

测量能够通过后续电子机构80经由相应的指令来起动，所述指令经由接口单元30传递到评估电子机构20。同样能够在评估电子机构20中设计成，对扫描间距D的跳跃的变化、尤其超越第一范围ΔD1的变化进行识别并且接着初始化扫描间距D的测量。这当待监视的机器部件50在至少两个位置之间往复运动时是特别有利的。

用于确定机器部件50的位置的扫描间距D的测量有利地在相同的运行条件的情况下进行，从而能够同样改变扫描间距D的外部的影响、如例如热膨胀没有使测量结果失真。此外能够设置有至少一个温度传感器40，其测量值引入给评估电子机构20，从而所述评估电子机构能够考虑温度影响。为了补偿其它影响参量能够设置有另外的传感器。

测定为用于机器部件（50）的位置的量度的值、也就是说在所述示例中扫描间距D，能够存储在存储单元22中，所述存储单元布置在评估电子机构20中。但备选地还能够将所述值直接地传递到后续电子机构80。如果所述值不是作为长度量度存在，而是以其它的物理的参量（例如扫描信号A、B的信号幅度/瞬时值，或激励电流I）存在，则能够在评估电子机构20中实行到长度量度中的相应的换算。能够作为换算的基础的是换算表格，所述换算表格能够同样存储在存储单元22中。

在存储单元22中能够存储用于最大的和/或最小的扫描间距D的极限值。通过比较当前测量的扫描间距D与存储的极限值能够识别故障状态并且必要时能够将相应的状况消息传递到后续电子机构80处。

为了测定为用于机器部件50的位置的量度的值，测量刻度13能够包括单独的刻度轨迹，为了所述刻度轨迹的扫描在扫描单元15中设置有单独的扫描元件14。在这种情况中，考虑用于测定所述值的扫描信号能够不同于用于处理成数字的角度值α的扫描信号。

图2示出用于电动马达的制动系统的功能图，所述制动系统布置在轴100的、背离马达的驱动侧的端部处。为了监视制动器的功能、尤其制动衬片的磨损状态，使用带有在图1下描述的性质的位置测量机构。在图2中示出在脱开的状态中的制动器。

作为马达制动器的基础的功能原理是，为了激活制动器利用沿轴的轴向方向起作用的第一力来作用于关于轴的转动固定的、但沿轴向方向通过引导器件能运动地支承的机器部件并且将机器部件的面由此压到随轴旋转的制动盘的面上。由此产生引起制动作用的摩擦。为了优化制动作用并且保证均匀的制动并且此外使由于摩擦所引起的磨损可控，在制动面（如下面，在其之间出现由制动过程引起的摩擦）之间布置有制动衬片。为了脱开制动器，第二力又沿轴的轴向方向作用于机器部件并且使所述机器部件从制动盘向前运动，从而不再出现摩擦。第一和第二力沿相反的方向起作用。所述第一和第二力能够由任意的力产生器件产生、例如弹簧、电磁体、质量体等。

为了实现所述功能原理，在图2的实施例中设置为能运动地支承的机器部件的是衔铁板（Ankerplatte）210，用作引导器件的是至少两个引导销钉220。衔铁板210利用引导销钉220沿轴100的轴向方向能运动地支承。引导销钉220一方面与马达的壳体块230并且另一方面与装配框架240连接并且同时防止衔铁板210沿轴100的转动方向的转动。

制动盘250抗转动地与轴100连接并且随所述轴一起转动。设置为用于产生第一力FB的力产生器件的是至少一个压力弹簧260，所述至少一个压力弹簧将衔铁板210朝制动盘250的方向挤压，电磁体270产生第二力FM，所述电磁体在接通的状态中将衔铁板210与制动盘250拉开并且由此使制动器脱开。

在激活的制动器的情况下，第一力FB引起了制动盘250朝布置在马达的壳体块230处的制动面的方向弹性变形并且被挤压到所述制动面处，从而在制动盘250的两个侧处生成摩擦和由此生成制动作用。

在制动盘250上于在其处产生摩擦的面处布置有制动衬片280。

在脱开的制动器（电磁体270接通）与激活的制动器（电磁体270断开）之间，衔铁板210沿轴100的轴向方向经过了制动行程H。对于制动行程H的重要的影响参量是制动衬片280的厚度，因为所述厚度由于磨损（磨蚀）随着时间而减少并且制动行程H由此变长。但这也意味着通过测量制动行程H能够反推出制动衬片280的磨损状态。

制动系统此外包括例如如其结合图1描述的那样的位置测量机构。位置测量机构的刻度载体12在轴端部处抗转动地与轴100连接并且随其转动，以及制动盘250随轴100一起转动。

至少扫描单元15、但有利地还有评估电子机构20、以及接口单元30布置在壳体60中，所述壳体装配在衔铁板210（相应于图1的机器部件50）上，从而测量刻度13和扫描元件14相对置。由此利用位置测量机构如已知的那样能够测量轴100的所经过的转圈的数量n和角度位置α。

如在图1中已经示出的那样，在这种布置中，测量刻度13位于测量刻度平面V中并且扫描单元15、尤其扫描元件14与所述测量刻度平面平行地位于扫描平面W中。

在这种布置中，位置测量机构的扫描间距D的变化在制动器激活或脱开的情况下直接相应于制动器的制动行程H。因为如在上面描述的那样，制动行程H取决于制动衬片的厚度，所以扫描间距D在激活的制动器的情况下还为用于制动衬片280的厚度的量度并且因此适用于监视制动衬片280的厚度。

为了监视制动衬片280的厚度，有利地在制动器的起始状态（新的制动衬片280）中，将扫描间距D在激活的制动器的情况下进行测量并且作为参考值来存储。为了存储能够在评估电子机构20中设置有存储单元22。备选地，参考值还能够被传递到后续电子机构80并且在该处进行存储。

用于测定制动衬片280的厚度的、扫描间距D的测量有利地在静止状态中、也就是说在静止的轴100的情况下进行。

由此防止了影响扫描间距D的其它影响参量使测量结果失真，或在测量时必须考虑所述其它影响参量。

图3示出根据本发明的位置测量机构的备选的实施方式。结合在图1中的位置测量机构已经描述的构件具有相同的附图标记。

不同于前述实施例，刻度载体112此时是柱形并且测量刻度113位于柱的周面上。扫描单元115的扫描元件114以扫描间距D与测量刻度113间隔开地布置。在此能够将扫描元件114仅仅在一个部位处、或还在多个部位处在柱的周缘上分布地安置。尤其当使用感应的扫描原理时，那么有利的是，将扫描元件（激励和接收线圈）如下地实施，使得所述扫描元件包围柱的周面。

扫描单元115又能够装配在机器部件50处，所述机器部件沿轴100的轴向方向Z能运动地支承。装配如下进行，使得扫描信号A、B的幅度在通常运行中关于机器部件50沿轴向方向Z的移动路径达到了最大。如果测量刻度113的宽度（在理想情况中等于柱形的刻度载体的高度）超过扫描元件114的起作用的区域的宽度，则得到小的范围ΔZ1，在其中，机器部件50沿轴向方向Z的运动不影响扫描信号A、B的幅度。然而如果机器部件50在间距测量运行中在根据运动方向接着范围ΔZ1的范围ΔZ2或ΔZ2'中运动，则扫描信号A、B的幅度减小并且由此又为用于机器部件沿轴向方向Z的位置的量度。

类似于前述实施例，间距测量运行有利地在轴100的低的转速的情况下、尤其在轴100的静止状态的情况下得到执行。

那么同样在该实施方式中设置成，扫描单元115的激励信号基于扫描信号A、B如下地再调节，使得扫描信号A、B始终具有相同的信号幅度。由此在此调节的参数、如例如用于调整激励信号的调控参量、或用于调整调控参量的引导参量还能够为用于机器部件50的位置的量度。在所示出的示例中，调控参量为激励电流I。

带有测量刻度113的刻度载体112和带有扫描元件114的扫描单元115能够由此代替在图2中的、带有测量刻度13的刻度载体12和带有扫描元件14的扫描单元15。

本发明不受限于所描述的实施例，而是能够由本领域技术人员在权利要求的保护范围内任选地进行实施。

Claims (16)

1.位置测量机构，包括

•带有测量刻度（13、113）的刻度载体（12、112），所述刻度载体抗转动地与轴（100）能够连接，

•扫描单元（15、115），用于通过扫描所述测量刻度（13、113）产生扫描信号（A、B），

•评估电子机构（20），用于将所述扫描信号（A、B）处理成所述轴的数字的角度值（α），

•接口单元（30），用于与后续电子机构（80）通讯，

其特征在于，所述扫描单元（15、115）能够装配在沿所述轴（100）的轴向方向（Z）能运动地支承的机器部件（50、210）上，从而所述扫描信号（A、B）取决于所述机器部件（50、210）沿所述轴（100）的轴向方向（Z）的位置并且由所述评估电子机构（20）从所述扫描信号（A、B）中能够测定用于所述机器部件（50、210）的这种位置的量度。

2.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，

•所述刻度载体（12）是盘形的并且所述测量刻度（13）径向地围绕所述轴（100）的转动轴线（110）布置在测量刻度平面（V）中，所述测量刻度平面垂直于所述轴（100）的转动轴线（110）布置，

•在所述评估电子机构（20）中能够测定在所述测量刻度（13）与所述扫描单元（15）之间的扫描间距（D），所述扫描间距为用于所述机器部件（50、210）沿所述轴（100）的轴向方向（Z）的位置的量度，

•在用于调整所述扫描间距（D）的通常运行中所述扫描间距（D）在第一范围（ΔD1）中能够改变，并且

•所述扫描间距（D）在用于测量所述机器部件（50、210）的位置的间距测量运行中在第二范围（ΔD2）中能够改变，所述第二范围大于所述第一范围（ΔD1）并且还包含所述第一范围。

3.根据权利要求1所述的位置测量机构，其中，所述刻度载体是柱形的并且所述测量刻度（113）位于所述柱的周面上并且所述扫描单元（115）的扫描元件（114）以扫描间距（D）与所述测量刻度（113）间隔开地布置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的位置测量机构，其中，在所述评估电子机构（20）中布置有存储单元，在所述存储单元中能够存储所测定的、用于所述机器部件（50、210）的位置的量度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的位置测量机构，其中，所述机器部件（50、210）的位置的测量由所述后续电子机构（80）经由指令能够初始化，所述指令经由所述接口单元（30）能够传递到所述评估电子机构（20）。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的位置测量机构，其中，所述评估电子机构（20）设计成，识别所述机器部件（50、210）的位置的跳跃的变化并且接着初始化测量。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的位置测量机构，其中，所述机器部件（50）是马达制动器的衔铁板（210）。

8.用于运行位置测量机构的方法，所述位置测量机构包括

•带有测量刻度（13、113）的刻度载体（12、112），所述刻度载体抗转动地与轴（100）能够连接，

•扫描单元（15、115），用于通过扫描所述测量刻度（13、113）产生扫描信号（A、B），

•评估电子机构（20），用于将所述扫描信号（A、B）处理成所述轴的数字的角度值（α），

•接口单元（30），用于与后续电子机构（80）通讯，

其特征在于，将所述扫描单元（15、115）装配在沿所述轴（100）的轴向方向（Z）能运动地支承的机器部件（50、210）上，从而所述扫描信号（A、B）取决于所述机器部件（50、210）沿所述轴（100）的轴向方向（Z）的位置并且在所述评估电子机构（20）中从所述扫描信号（A、B）中测定用于所述机器部件（50、210）的这种位置的量度。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，

•所述刻度载体（12）是盘形的并且所述测量刻度（13）径向地围绕所述轴（100）的转动轴线（110）布置在测量刻度平面（V）中，所述测量刻度平面垂直于所述轴（100）的转动轴线（110）布置，

•在所述评估电子机构（20）中测定在所述测量刻度（13）与所述扫描单元（15）之间的扫描间距（D），所述扫描间距为用于所述机器部件（50、210）沿所述轴（100）的轴向方向（Z）的位置的量度，

•所述扫描间距（D）在用于调整所述扫描间距（D）的通常运行中在第一范围（ΔD1）中改变，并且

•所述扫描间距（D）在用于测量所述机器部件（50、210）的位置的间距测量运行中在第二范围（ΔD2）中改变，所述第二范围大于所述第一范围（ΔD1）并且还包含所述第一范围。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述刻度载体是柱形的并且所述测量刻度（113）位于所述柱的周面上并且所述扫描单元（115）的扫描元件（114）以扫描间距（D）与所述测量刻度（113）间隔开地布置。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述评估电子机构（20）中布置有存储单元（22），在所述存储单元中存储所述机器部件（50、210）的位置。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，所述机器部件（50、210）的位置的测量由所述后续电子机构（80）经由指令来初始化，所述指令经由所述接口单元（30）传递到所述评估电子机构（20）。

13.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，由所述评估电子机构（20）识别所述机器部件（50、210）的位置的跳跃的变化并且接着初始化所述机器部件（50、210）的位置的测量。

14.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中，间距测量运行在所述轴（100）的低的转动速度的情况下得到执行。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述间距测量运行在所述轴（100）的静止状态的情况下得到执行。

16.用于电动马达的制动系统，带有

•制动盘（250），其抗转动地与所述电动马达的轴（100）连接，

•衔铁板（210），其沿所述轴（100）的轴向方向能运动地支承，

•用于产生第一力的力产生器件，为了激活制动器，所述衔铁板（210）沿轴向方向利用所述第一力能够运动并且所述衔铁板（210）的面为了产生摩擦能够压到所述制动盘（250）的面上，

•用于产生第二力的力产生器件，为了脱开所述制动器，所述衔铁板（210）利用所述第二力能够离开所述制动盘（250）地运动，

•至少一个制动衬片（280），所述至少一个制动衬片布置在产生摩擦的面之间，

其特征在于，

•在所述轴（100）处布置有刻度载体（12），所述刻度载体带有根据权利要求1至7中任一项所述的位置测量机构（10）的测量刻度（13），

•在所述衔铁板（210）上布置有扫描单元（15），所述扫描单元带有根据权利要求1至7中任一项所述的位置测量机构（10）的扫描元件（14），以及

•所述位置测量机构适用于实施根据权利要求8至15中任一项所述的方法。

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