DE102005029368B4 - Method and device for determining the orientation of a rotating component with respect to a normal vector of a reference plane - Google Patents
Method and device for determining the orientation of a rotating component with respect to a normal vector of a reference plane Download PDFInfo
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Abstract
Verfahren zur Ermittlung der Ausrichtung eines rotierenden Bauteils, insbesondere des Rotors (5) eines Elektromotors, in Bezug auf einen Normalenvektor (11) einer Referenzebene, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Messvorrichtung mit mindestens drei berührungslosen Messsensoren (6a, 6b, 6c) verwendet wird, die in einem bestimmten Abstand parallel zum Normalenvektor und verteilt auf einem (Mess-)Kreis angeordnet sind, wobei die Messachsen der Messsensoren (6a, 6b, 6c) parallel zum Normalenvektor verlaufen und die Drehachse (4) des Rotors (5) weitgehend im Kreismittelpunkt liegt,
dass zunächst eine Kalibrierung der Messsensoren (6a, 6b, 6c) in bezug auf eine Referenzebene durchgeführt wird,
dass das rotierende Bauteil in die Messvorrichtung eingespannt und in Rotation versetzt wird,
dass über mindestens eine Umdrehungen der Abstand zwischen den Messsensoren (6a, 6b, 6c) und einer zu vermessenden Oberfläche (9) des rotierenden Bauteils (5) gemessen wird, wobei pro Umdrehung von jedem Messsensor mehrere Messwerte erfasst werden,
dass aus den Messwerten die Ausrichtung...Method for determining the orientation of a rotating component, in particular of the rotor (5) of an electric motor, with respect to a normal vector (11) of a reference plane, characterized
in that a measuring device is used with at least three non-contact measuring sensors (6a, 6b, 6c) which are arranged at a specific distance parallel to the normal vector and distributed on a (measuring) circuit, wherein the measuring axes of the measuring sensors (6a, 6b, 6c) run parallel to the normal vector and the axis of rotation (4) of the rotor (5) is largely in the center of the circle,
in that first a calibration of the measuring sensors (6a, 6b, 6c) is carried out with respect to a reference plane,
that the rotating component is clamped in the measuring device and set in rotation,
in that the distance between the measuring sensors (6a, 6b, 6c) and a surface (9) of the rotating component (5) to be measured is measured over at least one revolution, whereby several measured values are recorded per revolution by each measuring sensor,
that from the measured values the alignment ...
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung eines rotierenden Bauteils, insbesondere des Rotors eines Elektromotors, in Bezug auf einen Normalenvektor einer Referenzebene gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a method and a device for detection the orientation of a rotating component, in particular of the rotor an electric motor, with respect to a normal vector of a reference plane according to the characteristics the generic term of the independent Claims.
Stand der TechnikState of the art
Elektromotoren werden beispielsweise in Festplattenlaufwerken zum Antrieb der Magnetspeicherplatten eingesetzt, auf die mittels eines Schreib-/Lesekopfes Daten in Form von magnetisierten Bereichen geschrieben und wieder ausgelesen werden können. Hierzu sind die Magnetspeicherplatten auf dem Rotor des Spindelmotors befestigt, wobei der von einem elektromagnetischen Drehfeld angetriebene Rotor mittels eines Lagersystems drehgelagert ist. Als Lagersysteme werden vorzugsweise Wälzlager oder Fluidlager eingesetzt. Aufgrund von unvermeidlichen Bauteil- und Montagetoleranzen gibt es mehr oder weniger große zeitliche Veränderungen der Drehachse des Motors, so dass der Normalenvektor im Drehpunkt der Rotoroberfläche keinen konstanten, sondern einen sich zeitlich und drehwinkelabhängig ändernden Messwert ergibt. Dies kann zu Fehlern beim Lesen und Schreiben der Daten auf die Magnetplatte und schlimmstenfalls zur Kollision des Schreib-/Lesekopfes mit der Magnetplatte führen.electric motors For example, in hard disk drives to drive the magnetic storage disks used on the means of a read / write head data in the form written and read out from magnetized areas can. For this purpose, the magnetic storage disks on the rotor of the spindle motor fixed, wherein the driven by an electromagnetic rotating field Rotor is rotatably supported by a bearing system. As storage systems are preferably rolling bearings or fluid bearing used. Due to unavoidable component and mounting tolerances, there are more or less large temporal changes the axis of rotation of the motor, so that the normal vector in the fulcrum the rotor surface not a constant, but a temporally and rotation angle dependent changing Result. This can lead to errors in reading and writing the Data on the magnetic disk and in the worst case collision of the Guide the read / write head to the magnetic disk.
Die Parallelität der weitgehend ebenen Oberfläche des Rotors bzw. der Rotornabe bzw. der Auflagefläche der Magnetspeicherplatten in Bezug auf eine Referenzebene bzw. die Parallelität der tatsächlichen Rotationsachse des Motors zu einer Referenzachse ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Spindelmotors. Der von den Abweichungen der tatsächlichen Rotationsachse herrührende Schlag des Rotors wird in der Praxis durch die Größe des wiederholbaren Schlages RRO (Repeatable Runout) definiert, wobei zwischen RRO axial (Stirnschlag) und RRO radial (Radialschlag) unterschieden wird. Der wiederholbare Schlag RRO ist ein Maß für die Abweichung der tatsächlichen Drehachse infolge von Außermittigkeit und Kippung sowie für die durch Herstellprozesse verursachten Oberflächenfehler bzw. Formabweichungen. Der wiederholbare Schlag RRO liegt bei heutigen Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke in der Größenordnung von bis zu einigen 10 μm.The parallelism the largely flat surface the rotor or the rotor hub or the bearing surface of the magnetic storage disks with respect to a reference plane or the parallelism of the actual Rotary axis of the motor to a reference axis is an important quality feature a spindle motor. The one of the deviations of the actual Rotation axis originating Blow of the rotor is in practice by the size of the repeatable Schlag's RRO (Repeatable Runout) defined, whereby between RRO axial (Frontal strike) and RRO radial (radial impact) is distinguished. The repeatable blow RRO is a measure of the deviation of the actual Rotation axis due to eccentricity and tilting as well the surface defects or shape deviations caused by manufacturing processes. The repeatable RRO punch is found in today's hard disk drive spindle motors in the order of magnitude of up to several 10 μm.
Die Parallelität kann mit Hilfe einer entsprechenden Messeinrichtung erfasst werden. Hierzu wird der Spindelmotor in eine Messstation eingespannt. Durch mehrere berührende Messsensoren wird die Motorebene vermessen. Nachteilig ist hierbei, dass nur statische Messungen durchgeführt werden können, da die berührenden Messsensoren bei einem Betrieb des Motors dessen Oberflächen beschädigen könnten. Ferner wird bei diesem Messverfahren der wiederholbare Schlag, der Repeatable Runout (RRO), nicht berücksichtigt. Insbesondere bei fluidgelagerten Motoren ist eine solche statische Messanordnung nicht verwendbar, da der Rotor des Motors erst im Betrieb seine vorgesehene Position und Ausrichtung annimmt.The parallelism can be detected with the help of an appropriate measuring device. For this purpose, the spindle motor is clamped in a measuring station. By several touching ones Measuring sensors will measure the motor level. The disadvantage here is that only static measurements can be carried out since the touching ones Measuring sensors during operation of the engine could damage its surfaces. Further becomes repeatable beat, the Repeatable Runout (RRO), not included. In particular with fluid-bearing motors, such a static measuring arrangement not usable, since the rotor of the engine only in operation its assumed position and orientation assumes.
Die
Die
Die
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Ausrichtung eines rotierenden Bauteils in Bezug auf einen Normalenvektor einer Referenzebene anzugeben, das eine berührungslose Messung während der Rotation des Bauteils erlaubt und den wiederholbaren Schlag berücksichtigt.The The object of the invention is a method and a device for determining the orientation of a rotating component in relation to indicate a normal vector of a reference plane that has a non-contact measurement while allows the rotation of the component and the repeatable stroke considered.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.These The object is achieved by the Characteristics of the independent Claims solved.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.preferred Embodiments and advantageous features of the invention are in the dependent claims specified.
Für das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Messvorrichtung mit mindestens drei berührungslosen Messsensoren verwendet, die in einem bestimmten Abstand parallel zum Normalenvektor und verteilt auf einem (Mess-)Kreis angeordnet sind, wobei die Drehachse des Motors weitgehend im Kreismittelpunkt liegt und zunächst eine Kalibrierung der Messsensoren in bezug auf eine Referenzebene durchgeführt wird, dann das rotierende Bauteil in die Messvorrichtung eingespannt und in Rotation versetzt wird, nachfolgend über mindestens eine Umdrehungen der Abstand zwischen den Messsensoren und der zu vermessenden Oberfläche des rotierenden Bauteils gemessen wird, wobei pro Umdrehung von jedem Messsensor mehrere Messwerte erfasst werden, und schließlich aus den Messwerten die Ausrichtung des rotierenden Bauteils bezüglich der Referenzebene ermittelt wird.For the inventive method, a measuring device with at least three non-contact measuring sensors is used, which are arranged at a certain distance parallel to the normal vector and distributed on a (measuring) circle, the axis of rotation of the motor is largely in the circle center and initially a calibration of the measuring sensors in with respect to a reference plane is carried out, then the rotating component is clamped in the measuring device and rotated, subsequently measured over at least one revolution, the distance between the measuring sensors and the surface to be measured of the rotating component, wherein per revolution of each measuring sensor a plurality of measured values are detected, and Finally, the alignment of the rotating component with respect to the reference plane is determined from the measured values.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass beispielsweise bei Motoren eine berührungslose und damit materialschonende Messung der Parallelität während des Betriebes der Motoren durchgeführt werden kann. Das Messverfahren lässt sich automatisch durchführen und erzielt Ergebnisse mit hoher Genauigkeit.The Invention has the advantage that, for example, in motors contactless and thus material-saving measurement of parallelism during the Operation of the motors are performed can. The measuring method leaves to perform automatically and achieves results with high accuracy.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert.following is an embodiment of Invention explained in more detail with reference to the drawing figures.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der ErfindungDescription of a preferred embodiment the invention
Die
daraus resultierende Lageveränderung des
Rotors
Wie
man insbesondere der
Zunächst wird
eine Referenzmessung mit den drei Messsensoren
Anschließend wird
ein zu vermessender Elektromotor in die Messvorrichtung eingespannt. Der
Motor wird in Betrieb genommen und die Entfernung der drei Sensoren
Es werden zahlreiche Messpunkte während mindestens einer Umdrehung des Motors ermittelt und gemittelt. Die gemittelten Werte aller drei Sensoren ergeben drei Punkte bzw. Vektoren, die eine Ebene relativ zur Masterebene definieren.It will be numerous measuring points for at least one revolution of the motor determined and averaged. The averaged Values of all three sensors give three points or vectors, the define a plane relative to the master plane.
Mit
Bezug auf die
Die
Messung der Parallelität
des Rotors des Elektromotors erfolgt vorzugsweise mit drei berührungslosen
Sensoren
The measurement of the parallelism of the rotor of the electric motor is preferably carried out with three non-contact sensors
Vermessung des Einstell-Masters (Referenzbauteil):Measurement of the setting master (reference component):
Alle
Messwerte werden auf einen Einstell-Master bezogen. Bei diesem handelt
es sich beispielsweise um ein präzise
gefertigtes Aluminium- oder Stahlteil, dessen Form und Maße denen
des zu messenden Motors entsprechen. Der Einstell-Master wird zunächst auf
einer 3D-Meßmaschine
vermessen. Dabei wird bei den gleichen x- und y-Koordinaten, bei
denen später
auch der Motor vermessen wird, die Höhe gemessen. Hieraus ergeben
sich folgende fünf
Messwerte:
MasterHeightA: Masterhöhe an der xy-Position des Sensors
A
MasterHeightB: Masterhöhe
an der xy-Position des Sensors B
MasterHeightC: Masterhöhe an der
xy-Position des Sensors C
MasterHeight1: Masterhöhe an der
xy-Position des berührenden
Messtasters 1
MasterHeight2: Masterhöhe an der xy-Position des berührenden
Messtasters 2All measured values are related to a setting master. This is, for example, a precisely manufactured aluminum or steel part whose shape and dimensions correspond to those of the motor to be measured. The setting master is first measured on a 3D measuring machine. It will be at the same x- and y-coordina In which later also the engine is measured, the height measured. This results in the following five measured values:
MasterHeightA: Master height at the xy position of the sensor A
MasterHeightB: Master height at the xy position of the sensor B
MasterHeightC: Master height at the xy position of the sensor C
MasterHeight1: Master height at the xy position of the touching probe 1
MasterHeight2: Master height at the xy position of the touching probe 2
Die ermittelten Werte müssen in das Testprogramm eingegeben und in einer Konfigurationsdatei gespeichert werden.The determined values entered into the test program and stored in a configuration file become.
Als
nächstes
wird der Einstell-Master in der Testvorrichtung ausgemessen, entsprechen
dem Verfahrensschritt
ZeroA Messwert von Glasmaßstab Sensor
A
ZeroB Messwert von Glasmaßstab Sensor B
ZeroC Messwert
von Glasmaßstab
Sensor C
OffsetA Messwert von Sensor A
OffsetB Messwert
von Sensor B
OffsetC Messwert von Sensor C
ProbeZero1
Messwert des Messtasters 1
ProbeZero2 Messwert des Messtasters
2Next, the setting master in the test apparatus is measured, corresponding to the method step
ZeroA reading of glass scale sensor A
ZeroB reading of glass scale sensor B
ZeroC reading of glass scale sensor C
OffsetA reading from sensor A
OffsetB measured value of sensor B
OffsetC measured value of sensor C
ProbeZero1 Measured value of the probe 1
ProbeZero2 Measured value of the probe 2
Da
die Sensoren und Glasmaßstäbe jeweils eine
Einheit bilden, müssen
deren Werte miteinander verrechnet werden, um den tatsächlichen
Messwert RefA, RefB, RefC des Abstands zwischen den einzelnen Sensor
und der Referenzoberfläche
zu erhalten:
RefA = ZeroA – OffsetA
RefB = ZeroB – OffsetB
RefC
= ZeroC – OffsetCSince the sensors and glass scales each form a unit, their values must be offset against one another in order to obtain the actual measured value RefA, RefB, RefC of the distance between the individual sensor and the reference surface:
RefA = ZeroA - OffsetA
RefB = ZeroB - OffsetB
RefC = ZeroC - OffsetC
Die ermittelten Werte werden ebenfalls in einer Referenzwertedatei abgespeichert.The determined values are also stored in a reference value file.
Vermessung des Motors (Prüfling):Measurement of the engine (test specimen):
Bei
der Messung eines Motors befinden sich die Sensoren
- – ScaleA
- – ScaleB
- – ScaleC
- - ScaleA
- - ScaleB
- - ScaleC
Die
beiden berührenden
Messtaster liefern folgende Messwerte:
ProbeValue1
ProbeValue2The two touching probes provide the following measured values:
ProbeValue1
ProbeValue2
Anschließend werden
entsprechend der Verfahrensschritte
Aus
den erfassten Messwerten wird gemäß den Verfahrenschritten
Mit
den zur Verfügung
stehenden Daten kann nun die tatsächliche Motorhöhe, d. h.
die Lage der Messoberfläche,
an den xy-Koordinaten der drei berührungslosen Sensoren bestimmt
werden:
Die
tatsächliche
Höhe an
den Positionen der Messtaster berechnet sich wie folgt:
Da
die drei Sensoren gleichmäßig um die Drehachse
Die
Parallelität
wird über
den Winkel berechnet, der zwischen der Ebene der Messoberfläche
Die Messebene ist gegeben durch die drei Messpunkte. Die x- und y-Koordinaten der Punkte lassen sich über den Messradius r, also dem Abstandradius des Sensors von der Drehachse des Motors, und den Winkel des betreffenden Sensors bestimmen, die z-Koordinate entspricht dem berechneten Messwert SetDimA, SetDimB bzw. SetDimC. Da die Referenzebene der xy-Ebene entspricht und der Normalenvektor immer senkrecht auf einer Ebene steht, zeigt der Normalenvektor der Referenzebene exakt in z-Richtung.The Measuring level is given by the three measuring points. Leave the x and y coordinates of the points over the measuring radius r, ie the distance radius of the sensor from the axis of rotation of the engine, and determine the angle of the relevant sensor, the z-coordinate corresponds to the calculated measured value SetDimA, SetDimB or SetDimC. Since the reference plane corresponds to the xy plane and the normal vector always perpendicular to a plane, the normal vector shows the reference plane exactly in the z-direction.
Berechnung
des Normalenvektors
Der Normalenvektor für die Referenzebene entspricht: The normal vector for the reference plane corresponds to:
Der Winkel zwischen den beiden Normalenvektoren entspricht: The angle between the two normal vectors corresponds to:
Das
Maß für die Parallelität der Messebene in
Bezug auf die Referenzebene ergibt sich zu:
- 11
- Lagerbuchsebearing bush
- 22
- Wellewave
- 33
- Lagerfluidbearing fluid
- 44
- Drehachseaxis of rotation
- 55
- Rotorrotor
- 66
-
Messsensoren
(
6a ,6b ,6c )Measuring sensors (6a .6b .6c ) - 77
-
Verstelleinrichtungen
(
7a ,7b ,7c )Adjusting devices (7a .7b .7c ) - 88th
- Winkelangle
- 99
- Messoberflächemeasuring surface
- 1010
- Messpunktmeasuring point
- 1111
- Normalenvektor (Messebene)normal vector (Reference)
- 20–2820-28
- Verfahrensschrittesteps
- α, β, γα, β, γ
- Winkelangle
- rr
- MeasRad: Radius des MesskreisesMeasRad: Radius of the measuring circle
- nn
- Anzahl der Umdrehungen, während der gemessen wirdnumber of turns, while which is measured
- mm
- Anzahl der Messwerte pro Umdrehungnumber the measured values per revolution
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110218 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MINEBEA MITSUMI INC., JP Free format text: FORMER OWNER: MINEBEA CO., LTD., NAGANO, JP |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: RIEBLING, PETER, DIPL.-ING. DR.-ING., DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |