DE102010042142A1

DE102010042142A1 - Messgerät zur Erfassung der Drehbewegung einer Welle

Info

Publication number: DE102010042142A1
Application number: DE102010042142A
Authority: DE
Inventors: Hubert Weber
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: DE102010042142B4

Abstract

Messanordnung zur optischen Erfassung der Drehbewegung einer Welle 4 mit einer Polfilter-Reflexlichtschranke 1 und einem Retroreflektor 5, wobei die Polfilter-Reflexlichtschranke 1 linear polarisiertes Licht 2 aussendet und vorzugsweise Licht mit um 90° zum ausgesendeten Licht gedrehter Polarisationsrichtung empfängt, der Retroreflektor 5 auf der Stirnseite 3 der Welle 4 gelagert ist und die Polarisation des einfallenden Lichtes um 90° dreht, dabei aber eine Vorzugsrichtung mit besonders hoher Reflexion aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein elektrisch steuerbares, die Polarisationsrichtung beeinflussendes Bauelement, vorzugsweise ein Flüssigkristall-Lichtmodulator 6 in den Strahlengang gebracht, dieses mit einer periodisch veränderlichen Steuerspannung beaufschlagt und die Drehrichtung der Welle 3 anhand der entstehenden Phasenverschiebungen bestimmt.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann in einem Drehratensensor oder einem Winkelgeber Anwendung finden.

Description

Für die Drehzahl- und Winkelmessung werden bekannterweise Inkrementalgeber eingesetzt. Die Messung erfolgt optisch, magnetisch oder über Schleifkontakte. In den meisten Fällen wird eine mechanische Ankopplung an die Welle benötigt, um eine Abtastplatte, einen Magneten oder einen Schleifkontakt zu installieren. Hierbei sind die Abmessungen, das Gewicht und auch der Preis des Inkrementalgebers von großer Bedeutung.
Aus den vom gleichen Erfinder stammenden DE 100 05 227 A1 und DE 201 02 192 U1 sind Anordnungen zur optischen Drehzahlbestimmung bekannt. Hierzu sind entweder ein Sender und zwei Empfänger oder aber zwei Sender und ein Empfänger erforderlich. Auf dem drehbaren Objekt wird eine Reflexfolie und ein zusätzliches Polarisationsfilter angebracht.
Nachteilig ist der damit verbundene Aufwand. Die Fixierung eines zusätzlichen Polarisationsfilters auf dem Reflektor ist bei Wellendurchmessern < 5 mm problematisch. Die Auswertung der Summen- und Differenzsignale ist vergleichsweise kompliziert.
Die US 5,157,460 A zeigt eine ganze Anzahl von Anordnungen, die neben dem Reflektor bzw. Retroreflektor auf dem drehenden Objekt noch ein zusätzliches Polarisationsfilter benötigen.
Das ist, wie bereits oben ausgeführt, in manchen Fällen schwierig bzw. sogar undurchführbar. Die gezeigten Anordnungen erfordern spezielle optische Bauelemente, die beschafft und justiert werden müssen.
Die US 5,815,269 A arbeitet mit mehreren linear polarisierten Sendern und einem Analysator. Im Laufe der Drehbewegung gelangt das Licht der verschiedenen Sender nacheinander auf den Empfänger. Anhand der Phasenbeziehungen können die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit ermittelt werden. Als nachteilig werden der hohe materielle Aufwand und die vergleichsweise komplizierte Auswertung angesehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine zur Erfassung einer Drehbewegung geeignete Anordnung anzugeben, die mit einer handelsüblichen Polfilter-Reflexlichtschranke auskommt und darüber hinaus leicht zu justieren ist. Sie soll auch für kleine Wellendurchmesser geeignet sein und nahezu keine zusätzliche Belastung des drehenden Körpers hervorrufen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist im Unteranspruch 2 genannt. Die Unteransprüche 3 und 4 betreffen die Anwendung als Drehratensensor bzw. Winkelgeber. Der Unteranspruch 5 betrifft eine Ausgestaltung zur Bestimmung der Drehrichtung.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, eine Eigenschaft von handelsüblichen Retroreflektoren zu nutzen, bei Drehung um die optische Achse ihr Reflexionsvermögen für polarisiertes Licht zu ändern. Ein solcher Retroreflektor wird auf der Stirnseite der Welle befestigt und mit einer handelsüblichen Polfilter-Reflexlichtschranke abgetastet. Geeignete Polfilter-Reflexlichtschranken werden von der Anmelderin u. a. mit der Bezeichnung OJ5004 oder auch OGP100 hergestellt und vertrieben.
Es können sowohl nach dem Autokollimationsprinzip arbeitende „einäugige” Polfilter-Reflexlichtschranken wie die OJ5004 oder auch solche mit getrennten Sende- und Empfangskanälen wie die OGP100 zur Anwendung kommen.
Für sehr kleine Wellendurchmesser sind Laser-Reflexlichtschranken empfehlenswert.
Die Polfilter-Reflexlichtschranken werden so eingestellt, dass sie im Laufe einer Umdrehung ihren Schaltzustand mindestens einmal wechseln.
Eine für die erfindungsgemäße Messanordnung geeignete Reflexfolie mit der Bezeichnung T-8000 L wird von der Firma ULTRA REFLEX Gmbh angeboten. Diese Reflexfolie besitzt eine mikroprismatische Struktur und ist für Polfilter-Reflexlichtschranken geeignet. Bei bestimmter Orientierung weist sie eine hohe Reflexion auf.
Die Folie ist stanz- und schneidbar. Wegen der selbstklebenden Rückseite ist sie einfach zu handhaben. Sie ist nur Sie ist 0,6 mm dick. Wegen der Mikroprismen und ihres geringen Gewichts ist sie für kleinere Wellen (∅ 2 mm) verwendbar ohne dass eine Unwucht entsteht.
Da der Lichtstrahl nicht zwingend auf die Wellenmitte ausgerichtet sein muss und auch der Winkel der Lichtschranke zur Wellenachse unkritisch ist, müssen an die Ausrichtung der Messvorrichtung keine großen Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. So wird die Installation erleichtert. Die Anordnung kann sogar als Handmessgerät eingesetzt werden.
Da die Masseträgheit der Welle durch die Folie nur unwesentlich beeinflusst wird, gibt es keine nennenswerte Änderung im Beschleunigungsverhalten des Antriebs. Das ist besonders bei Antrieben mit hoher Drehzahl vom Vorteil.
Solange die Messfläche noch getroffen wird, haben Schwingungen der Messachse praktisch keinen Einfluss auf den Messwert.
Da sich der Schaltzustand bei der genannten Reflexfolie schon bei Drehungen um π/4 verändert, können sehr sensitive Drehzahlwächter realisiert werden.
Da im Regelfall 4 Schaltwechsel pro Umdrehung entstehen, können auch langsame Drehbewegungen sicher detektiert werden, Riemenbrüche schnell erkannt oder auch Schlupfüberwachungen durchgeführt werden. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch ein Istwertgeber zur Drehzahlregelung sein. Wird der Retroreflektor beweglich außerhalb seines Schwerpunktes gelagert, kann die Vorrichtung auch als Neigungswächter für die Polfilter-Reflexlichtschranke fungieren.
In Kombination mit einem Flüssigkristall-Lichtmodulator kann sogar die Drehrichtung bestimmt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 Vorrichtung zur Drehzahlmessung einer Antriebswelle,
2 Signalverlauf am Ausgang der Polfilter-Reflexlichtschranke,
3 Vorrichtung zur Bestimmung der Drehrichtung,
4 Signalverlauf bei der Drehrichtungsbestimmung.
In der 1 wird eine Anordnung zur Messung der Drehzahl einer Welle 4 gezeigt. Der Retroreflektor 5 sitzt auf der Stirnseite 3 der Welle 4, also in der Drehachse.
Die Polfilter-Reflexlichtschranke 1, im Folgenden Reflexlichtschranke genant, ist zum besseren Verständnis teilweise in Explosionsdarstellung gezeichnet. Der Polarisator 8 und der Analysator 9 befinden sich selbstverständlich im Inneren des Gerätes. Das von der Sendediode kommende unpolarisierte Licht wird zunächst kollimiert und durch den Polarisator 8 linear polarisiert. Das linear polarisierte Licht 2 trifft auf den Retroreflektor 5. Bei der Reflexion in die Eintrittsrichtung wird die Polarisationsebene um 90° gedreht. Nun durchläuft es den ebenfalls zur Reflexlichtschranke 1 gehörenden Analysator 9 und wird auf den Empfänger fokussiert. Wegen der oben erläuterten Eigenschaften des Retroreflektors 5 erfährt das Signal bei Drehung der Welle 4 eine Amplitudenmodulation. Der Schaltpunkt der Reflexlichtschranke 1 wird so eingestellt, dass mindestens ein Schaltwechsel pro Umdrehung erfolgt. Bei optimaler Einstellung erzeugt die o. g. Reflexfolie während einer Umdrehung 4 Schaltwechsel. Die Reflexlichtschranke 1 muss dabei nicht exakt in der Drehachse ausgerichtet sein. Es genügt, wenn sie im Akzeptanzwinkel des Retroreflektors 5 liegt.
Die 2 zeigt das Signal UA(ω) am Schaltausgang der Reflexlichtschranke 1 in Abhängigkeit vom Drehwinkel ω Welle 4. Wie bereits oben erwähnt, liefert die genannte mikroprismatische Reflexfolie 5 pro Umdrehung vier Schaltwechsel.
In der 3 wird eine erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung der Drehrichtung gezeigt. Dazu wird die bereits in der 1 beschriebene Anordnung durch einen Flüssigkristall-Lichtmodulator 6, im Folgenden Lichtmodulator genant, ergänzt. Bei abgeschaltetem Hochfrequenzgenerator 7 ist er optisch inaktiv, d. h. der Polarisationszustand des hindurchtretenden Lichtes bleibt unbeeinflusst.
Beim Anlegen einer vorzugsweise rechteckförmigen Wechselspannung wird der Lichtmodulator 6 aktiv und die Polarisationsebene des hindurchtretenden Lichtes wird sowohl auf dem „Hinweg” als auch auf dem „Rückweg” jeweils um 90° gedreht. Während der Aktivierung und auch beim Ausschalten des Lichtmodulators 6 läuft die Polarisationsänderung der Drehung entweder voraus oder nach. So kommt es in Abhängigkeit von der Drehrichtung zur Streckung oder Stauchung der von der Reflexlichtschranke 1 erzeugten Schaltimpulse. Dieser Effekt kehrt sich in der anderen Drehrichtung um. Zur Bestimmung der Drehrichtung muss die in diesem Falle erforderliche Auswerteeinheit mit dem Hochfrequenzgenerator 7 synchronisiert werden.
Die 4 zeigt ein Diagramm der Schaltimpulse UA(t) zu der in 3 gezeigten Anordnung. Der Lichtmodulator 6 wird mit einem vom Hochfrequenzgenerator 7 erzeugten Signal angesteuert. Der Hochfrequenzgenerator 7 wird mit der Steuerspannung UM(t) im Zeitpunkt t1 eingeschaltet und im Zeitpunkt t2 wieder ausgeschaltet. Die Drehrichtung kann anhand von Stauchungen bzw. Streckungen der Schaltimpulse beim Einschalten und Ausschalten des optischen Modulators 6 erkannt werden. Die oben erwähnte Umkehrung des Effektes in der anderen Drehrichtung ist nicht dargestellt.
Ein interessanter Anwendungsfall ist die Erfassung der Drehbewegung eines bereits in ein Gehäuse eingebauten Asynchronmotors. Die oben genannte mikroprismatische Reflexfolie wird auf das Ende der Motorwelle geklebt. Falls die Motorwelle durch eine Öffnung im Gehäuse, beispielweise ein Lüftungsgitter oder durch ein transparentes Gehäuseteil sichtbar ist, kann die Reflexlichtschranke als Drehzahlwächter, aber auch zur Drehzahlregelung des Asynchronmotors verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung nutzt das von der Einbaulage abhängige Reflexionsvermögen von handelsüblichen Retroreflektoren aus, um in Verbindung mit einer ebenfalls handelsüblichen Polfilter-Reflexlichtschranke einen besonders einfachen, kostengünstigen, leicht justierbaren und in vielen Fällen nachträglich einbaubaren Drehzahlsensor zu schaffen.
Hierzu wird der Retroreflektor auf dem bewegten, vorzugsweise drehenden Körper befestigt und mit der Reflexlichtschranke abgetastet. Bei entsprechender Schaltpunkteinstellung erfolgt bei jeder Umdrehung mindestens ein Schaltsignalwechsel.
Diese Anordnung ist sowohl für Drehratensensoren als auch für Winkelgeber geeignet.
Im Kombination mit einem elektrisch steuerbaren, die Polarisationsrichtung beeinflussenden Bauelement, beispielsweise einem modulierten Flüssigkristall kommt es beim Ein- und Ausschalten zu einer zusätzlichen Drehung der Polarisationsebene des hindurchtretenden Lichtes. Dadurch wird eine drehrichtungsabhängige Stauchung bzw. Steckung der Schaltimpulse hervorgerufen, so dass eine Drehrichtungsbestimmung möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Polfilter-Reflexlichtschranke
2: Linear polarisiertes Licht
3: Stirnseite der Welle
4: Welle
5: Retroreflektor, Reflexfolie
6: Flüssigkristall-Lichtmodulator
7: Hochfrequenzgenerator
8: Polarisator
9: Analysator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10005227 A1 [0002]
DE 20102192 U1 [0002]
US 5157460 A [0004]
US 5815269 A [0006]

Claims

Messanordnung zur optischen Erfassung der Drehbewegung einer Welle (4) mit einer Polfilter-Reflexlichtschranke (1) und einem Retroreflektor (5) dadurch gekennzeichnet, dass die Polfilter Reflexlichtschranke (1) linear polarisiertes Licht (2) aussendet und vorzugsweise Licht mit um 90° zum ausgesendeten Licht gedrehter Polarisationsrichtung empfängt, der der Retroreflektor (5) auf der Stirnseite (3) der Welle (4) gelagert ist und die Polarisation des einfallenden Lichtes um 90° dreht, dabei aber eine Vorzugsrichtung mit besonders hoher Reflexion aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Retroreflektor (5) eine mikroprismatischen Reflexfolie ist.
Drehratensensor mit einer Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2.
Winkelgeber mit einer Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem elektrisch steuerbaren, die Polarisationsrichtung beeinflussenden Bauelement, vorzugsweise einem Flüssigkristall-Lichtmodulator (6), dadurch gekennzeichnet, dass dieses Bauelement mit einer periodisch veränderlichen Steuerspannung beaufschlagt wird und die Drehrichtung anhand der dadurch entstehenden Streckung und Stauchung der Schaltimpulse bestimmt wird.