DE102011105401B4

DE102011105401B4 - Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011105401B4
Application number: DE102011105401.8A
Authority: DE
Inventors: Noriyuki Fukui
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2031-06-23
Also published as: CN102297653A; JP5391157B2; CN102297653B; ITRM20110307A1; US20110316530A1; US8823367B2; JP2012007919A; DE102011105401A1

Abstract

Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung, umfassend:- ein Erfassungszielobjekt (10);- eine inkrementelle Erfassungseinheit (14); und- eine Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position,wobei das Erfassungszielobjekt (10) eine inkrementelle Scheibe (11) und eine Kodierscheibe (12) für eine absolute Position aufweist,wobei die inkrementelle Scheibe (11) koaxial an einer Drehwelle eines Messungszielobjekts befestigt ist und ein sich n-mal wiederholendes, regelmäßiges Muster aufweist;wobei die Kodierscheibe (12) für eine absolute Position koaxial zur inkrementellen Scheibe (11) angeordnet ist und einen unregelmäßigen, zyklischen Kode aufweist, der eine binäre Zufallszahlenfolge mit einer Maximallänge von n Bits umfasst;wobei die inkrementelle Erfassungseinheit (14) gegenüber der inkrementellen Scheibe (11) angeordnet ist; undwobei die Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position gegenüber der Kodierscheibe (12) für eine absolute Position angeordnet ist;wobei die Vorrichtung weiter umfasst:- einen Speicher zum Speichern eines Korrekturparameters entsprechend einer sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10); und- eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines Drehwinkels des Messungszielobjekts unter Verwendung des Korrekturparameters entsprechend der sich wiederholenden Datengröße „n“, basierend auf Erfassungsdaten, die von der inkrementellen Erfassungseinheit (14) erfasst werden, und Erfassungsdaten, die von der Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position erfasst werden,wobei auf die Eingabe von Daten hin, die der sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10) entsprechen, für eine Erstverarbeitung bei Aktivierung durch eine Steuerungsvorrichtung (108), die mit der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung verbunden ist, der Korrekturparameter, der der sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10) entspricht und vorab im Speicher gespeichert wurde, in einem Erfassungsvorgang wiedergegeben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung für die Verwendung bei Industriemaschinen, Werkzeugmaschinen usw. Insbesondere betrifft die Erfindung Drehwinkel-Erfassungsvorrichtungen mit einer Erfassungseinheit, die Erfassungszielobjekte mehrerer Größen bewältigen kann.
Als Reaktion auf den steigenden Bedarf nach der Bearbeitung von sehr großen Teilen auf den Gebieten der Windkrafterzeugung, der Erdölbohrung usw. ist die Anzahl an sehr großen Werkzeugmaschinen angestiegen. Dementsprechend vergrößerte sich der Durchmesser einer Drehwelle und zusammen mit dieser auch eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung, die an der Drehwelle befestigt ist.
DE 10 2008 014 075 Al zeigt eine gedruckte Leiterplatte, auf der Erfassungswicklungen und eine Erfassungswicklung für einen Erregungsmagnetfluss in Form von Leiterbahnmustern verlegt sind. Die gedruckte Leiterplatte ist so angeordnet das sie unter Einhaltung eines vorbestimmten Zwischenraums einer drehbar angeordneten Codeplatte für eine binäre, zyklische Zufallszahlenabfolge gegenübersteht. An der Rückseite der gedruckten Leiterplatte ist ein U-förmiger Erregungskern angeordnet, auf den eine Erregungswicklung aufgewickelt ist. Die Erfassungswicklungen erfassen Reluktanz-Änderungen und geben sie als Spannungswerte aus, inwieweit sich die durch die Erregungswicklung erzeugte Erregungsmagnetflüsse zwischen der Erregungswicklung und dem konkaven/konvexen Abschnitt der genannten Codeplatte ändern. Dadurch wird eine Verringerung der Genauigkeit beim Erfassen eines Absolutwert-Codes aufgrund von Wechselwirkungen zwischen dem Erregungsmagnetfluss zum Erfassen desselben sowie einem anderen Erregungsmagnetfluss verhindert.
3 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften konventionellen hohlen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung, deren Aufbau im Folgenden beschrieben wird. Eine Schlitzscheibe 202 ist an einer Drehwelle 201 befestigt, die ein durch diese mit eingestellter Rotationsabweichung ausgebildetes Durchgangsloch aufweist. Die Schlitzscheibe 202 ist mit einem Hell-Dunkel-Raster versehen. Weiter sind eine Lichtemissionsvorrichtung 203 und eine Lichtempfangsvorrichtung 204 an einem Gehäuse 208 befestigt, sodass sich die Schlitzscheibe 202 zwischen beiden befindet. Wenn sich die Schlitzscheibe 202 zusammen mit der Drehwelle 201 dreht, erfasst die Lichtempfangsvorrichtung 204 paralleles Licht von der Lichtemissionsvorrichtung 203 und sendet einen Spannungspegel, der das Ergebnis einer photoelektrischen Umwandlung ist, zu einem Verarbeitungsschaltungssubstrat 205. Das Verarbeitungsschaltungssubstrat 205 führt basierend auf dem übertragenen Spannungspegel eine Interpolationsoperation oder Ähnliches aus, um eine Drehposition der Drehwelle 201 zu berechnen.
Dieser Aufbau weist Lager 206a, 206b und eine Kopplung 207 auf, wobei eine Erfassungseinheit nicht getrennt von einem Erfassungszielobjekt ausgebildet ist. Deshalb muss eine Maschinenkomponente, die in das Durchgangsloch eingeführt wird, kleiner als der Durchmesser des Durchgangslochs sein, das in der Drehwelle 201 ausgebildet ist. Wenn eine hohle Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung mit einem größeren Durchgangsloch benötigt wird, ist es notwendig, den gesamten Aufbau der hohlen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung neu zu gestalten. Ein solcher Aufbau mit integrierter Erfassungseinheit und Erfassungszielobjekt ist beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2009 - 258 002 A beschrieben.
Mittlerweile wird auch eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung mit einer Erfassungseinheit verwendet, die getrennt von einem Erfassungszielobjekt ausgebildet ist. Beispielsweise beschreibt die offengelegte japanische Patentanmeldung JP H11 - 183 201 A einen Aufbau, bei dem ein Kodierer getrennt von einer Erfassungseinheit aufgebildet ist. Weiter beschreibt die offengelegte japanische Patentanmeldung JP 2006 - 322 764 A eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung mit hoher Präzision. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer solchen konventionellen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung zeigt. Insbesondere ist ein Erfassungszielobjekt, das ein Erfassungszahnrad 301 und eine Kodierscheibe 302 für eine absolute Position umfasst, auf Seite der Maschine (nicht gezeigt) an der Drehwelle oder Ähnlichem befestigt. Das Erfassungszahnrad 301 ist ein Stirnzahnrad mit 360 Zähnen und einem Modul von 0,4 mit einer Grundteilungs- oder -abstandslänge von etwa 1,256 mm, bei dem der innere Durchmesser 100 mm ist. Die Kodierscheibe 302 für eine absolute Position weist an ihrem äußeren Umfang unregelmäßige Ausschnitte auf, die verwendet werden, um einen Kode zu binärisieren. Die Länge eines Bits ist gleich der Grundabstandslänge des Erfassungszahnrads 301, die etwa 1,256 mm ist, wobei ein unregelmäßiger zyklischer Kode so gegeben ist, dass jeder Kode für entsprechende Sätze von neun aufeinanderfolgend gelesenen Bits einzigartig ist.
Weiter umfasst eine Erfassungseinheit 303, die auf Seite der Maschine (nicht gezeigt) an einem nichtdrehenden Element, wie beispielsweise an einem Flansch, befestigt ist, acht magnetoresistive Elemente für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der unebenen Stellen des Erfassungszahnrads 301 ändert, sowie neun magnetoresistive Elemente für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte an der Kodierscheibe 302 für eine absolute Position ändert.
Die acht magnetoresistiven Elemente für das Erfassen der unebenen Stellen des Erfassungszahnrads 301 sind so angeordnet, dass orthogonale Zweiphasensignale entstehen. Das heißt, dass relativ zu einem ersten Element, das als Referenz verwendet wird, ein zweites, drittes, viertes, fünftes, sechstes, siebtes und achtes Element entsprechend um das 0,25-fache (1/4) einer Teilungs- oder Abstandslänge (etwa 0,314 mm), das 0,5-fache (2/4) einer Abstandslänge, das 0,75-fache (3/4) einer Abstandslänge, das 1,0-fache (4/4) einer Abstandslänge, das 1,25-fache (5/4) einer Abstandslänge, das 1,5-fache (6/4) einer Abstandslänge und das 1,75-fache (7/4) einer Abstandslänge in die axiale Messrichtung versetzt angeordnet sind, wobei das erste und fünfte Element eine positive Sinusphase, das zweite und sechste Element eine positive Kosinusphase, das dritte und siebte Element eine negative Sinusphase und das vierte und achte Element eine negative Kosinusphase erfassen. Weiter sind die neun magnetoresistiven Elemente für das Erfassen der Ausschnitte der Kodierscheibe 302 für eine absolute Position so angeordnet, dass ein Signal entsteht, dass das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Ausschnitts binärisiert. Das heißt, die neun Elemente sind durch eine Teilungs- oder Abstandslänge voneinander getrennt, sodass ein Kode für neun aufeinanderfolgende Bits gelesen wird.
Nun wird angenommen, dass das Durchgangsloch der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung von 100 mm auf 150 mm vergrößert werden soll. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung mit einem Durchgangsloch von 150 mm. Das Erfassungszahnrad 401 ist ein Stirnzahnrad mit 500 Zähnen und einem Modul von 0,4 mit einer Grundteilungs- oder -abstandslänge von etwa 1,256 mm, bei dem der innere Durchmesser 150 mm ist. Die Kodierscheibe für eine absolute Position 402 weist unregelmäßige Ausschnitte auf, die an ihrem äußeren Umfang ausgebildet sind und die verwendet werden, um einen Kode ähnlich zum in 4 gezeigten Beispiel zu binärisieren. Die Länge eines Bits ist gleich der Grundabstandslänge des Erfassungszahnrads 401, nämlich etwa 1,256 mm. Ein unregelmäßiger zyklischer Kode ist dabei so gegeben, dass jeder Kode für entsprechende Sätze von neun aufeinanderfolgenden Bits einzigartig ist.
Weiter wird für die Erfassungseinheit 303 ein Aufbau verwendet, der dem in 4 gezeigten entspricht. Da die Erfassungszahnräder 301 und 401 identische Grundabstandslängen aufweisen, ist es unnötig, die Positionen der acht magnetoresistiven Elemente für das Erfassen der unebenen Stellen des Zahnrads 401 zu ändern. Auf ähnliche Weise ist es unnötig, die Positionen der neun magnetoresistiven Elemente zu verändern, da die Kodierscheiben für eine absolute Position 302 und 204 dieselbe Grundabstandslänge aufweisen. Zahnräder, die eine identische Grundabstandslänge (Produkt eines Moduls und der Ludolfschen Zahl) aber eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen aufweisen, können unter Verwendung desselben Werkzeugs hergestellt werden. Deshalb ist die Auslegung, eine benötigte Programmierzeit usw. für die Herstellung eines neuen Erfassungszahnrads kein großes Problem. Das heißt, dass die Erfassungseinheit Erfassungszielobjekte verschiedener Größen bewältigen kann, solange die Erfassungszielobjekte getrennt von einer Erfassungseinheit ausgebildet sind und der Grundabstand der Erfassungszielobjekte, abgesehen von ihrer unterschiedlichen Größe, derselbe ist, wodurch eine maschinenseitige Anforderung bezüglich einer maximalen Lochgröße relativ einfach gemeistert werden kann.
6 zeigt ein Diagramm, das den schematischen Aufbau einer Schaltung für das Verarbeiten eines von der in 5 gezeigten Erfassungseinheit erzeugten Signals zeigt. Widerstandsänderungspegel (Spannungspegel nach der Wandlung), die durch die magnetoresistiven Elemente 101a bis 101h für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der unebenen Stellen des Erfassungszahnrads 401 ändert, erzeugt werden, werden an die Differenzialverstärker 102a und 102b geliefert, wobei Signale derselben Phase miteinander verbunden und unter Verwendung eines Unterschieds in der Polarität verstärkt und anschließend in den Analog/Digital-Wandlern 103a und 103b digitalisiert werden. Von den digitalisierten Zwei-Phasen-Signalen Sdo und Cdo werden entsprechende Versatzkorrekturwerte Sofs und Cofs durch die Subtrahierer 105a und 105b abgezogen, wobei die Versatzkorrekturwerte Sofs und Cofs vorab im Speicher 104a gespeichert wurden. Die Zwei-Phasen-Signale Sd und Cd, von denen jeweils die Versatzkomponente entfernt wurde, werden vom Teiler 106 in ein Tangenssignal Tan_d gewandelt. Anschließend wird von der Steuerungseinheit 107a eine Arcustangensoperation ausgeführt, um so eine absolute Position θp innerhalb des Grundabstands zu erhalten.
Widerstandsänderungspegel (Spannungspegel nach der Umwandlung), die durch die magnetoresistiven Elemente 101i bis 101q (zum Zwecke der Übersichtlichkeit sind nicht alle neun Elemente gezeigt) für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte der Kodierscheibe 402 für eine absolute Position ändert, erzeugt werden, werden von den Verstärkern 102c bis 102k verstärkt, bevor sie von den Analog/Digital-Wandlern 103c bis 103k in digitale Signale Aldo bis A9do gewandelt werden. Von den digitalen Signalen Aldo bis A9do werden durch die Subtrahierer 105c bis 105k entsprechende Schwellwerte (Versatzkorrekturwerte) für die binäre Erfassung Alofs bis A9ofs abgezogen, sodass aus ihnen positive/negative binärisierte Signale A1d bis A9d werden, wobei die Schwellwerte A1ofs bis A9ofs vorab im Speicher 104b gespeichert wurden.
Die positiven/negativen binärisierten Signale A1d bis A9d werden in der Operationseinheit 107b zusammen mit dem Wert „500“, der die Datengröße (die Anzahl von Zähnen auf dem Erfassungszahnrad 401 oder die maximale Kodelänge des absoluten Positionskodes auf der Kodierscheibe für eine absolute Position 402) auf einem Erfassungszielobjekt angibt, einer absoluten Positionsverarbeitung unterzogen, wobei der Wert „500“ von der Steuerungseinheit 108, die mit der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung verbunden ist, geliefert wird, um so eine Position θa zu erhalten, die eine Position innerhalb einer Drehung angibt, die in 500 Teile geteilt ist. Danach werden die absolute Position θp innerhalb des Grundabstands und die Position θa, die eine Position innerhalb einer Drehung angibt, die in 500 Teile geteilt ist, unter Verwendung der CPU 107c einer Stellenanpassung (einem Verbindungsprozess) unterzogen, um eine absolute Position θ innerhalb der Drehung zu erhalten.
Eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Erfassungseinheit kann relativ einfach mit verschiedenen Durchgangslochgrößen zurecht kommen, das heißt mit verschiedenen Arten von Zahnradgrößen (Anzahl der Zähne). Obwohl verschiedene Erfassungszahnräder 301, 401 oder Kodierscheiben für eine absolute Position 302, 402 gemeistert werden können, ändern sich die Abstände zwischen den magnetoresistiven Elementen 101a bis 101q, die relativ weit vom Zentrum der Erfassungseinheit angeordnet sind, und einem Erfassungszielobjekt signifikant, wenn sich die Größe des Erfassungszielobjekts ändert.
Bezug nehmend auf die in 6 gezeigten magnetoresistiven Elemente 101 a bis 101h für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der unebenen Stellen des Erfassungszahnrads 401 ändert, ändern sich die Abstände zwischen den magnetoresistiven Elementen 101a, 101b, 101g und 101h, die relativ nah an Enden der axialen Messrichtung angeordnet sind, und einem Erfassungszielobjekt signifikant, wenn sich die Größe des Erfassungszahnrads 401 ändert. Der mittlere Pegel einer Signaländerung, das heißt ein Versatzpegel, ändert sich ebenfalls. Dies führt dazu, dass die Versatzkorrekturwerte Sofs und Cofs, die im Speicher 104a gespeichert sind, nicht optimal sind.
Auf ähnliche Weise ändern sich auf Seite des Kodes für eine absolute Position die Abstände zwischen den magnetoresistiven Elementen 101i bis 101q, die relativ weit von der Mittelposition entfernt angeordnet sind, und einem Erfassungszielobjekt signifikant, wenn sich die Größe der Kodierscheibe für eine absolute Position 402 ändert. Dementsprechend ändert sich auch der mittlere Pegel einer Signaländerung, das heißt ein Schwellwert (ein Versatzpegel). Aus diesem Grund sind die Schwellwerte (Versatzkorrekturwerte), die im Speicher 104b gespeichert sind, nicht optimal.
Bei einer oben beschriebenen konventionellen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung, bei der ein Erfassungszielobjekt nicht von einer Erfassungseinheit getrennt ist, ist es notwendig, die gesamte Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung neu zu gestalten, um maschinenseitige Anforderungen bezüglich einer größeren Durchgangslochgröße zu erfüllen.
Gemäß einer konventionellen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung, die dieses Problem löst, und bei der ein Erfassungszielobjekt getrennt von einer Erfassungseinheit ausgebildet ist, können die maschinenseitigen Anforderungen für größere Durchgangslöcher relativ einfach bewältigt werden. Ein Problem ergibt sich jedoch dadurch, dass bei den Erfassungselementen in der Erfassungseinheit Fehler, das heißt eine Versatzänderung, auftreten, die durch eine Änderung in der Krümmung des Erfassungszielobjekts verursacht werden. Eine Versatzänderung eines Erfassungselements für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der unebenen Stellen eines Erfassungszahnrads ändert, kann ein direkter Grund für eine Verschlechterung in der Erfassungsgenauigkeit sein, die das wichtigste Kriterium bei einer Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung ist, wobei eine Versatzänderung eines Erfassungselements für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte der Kodierscheibe für eine absolute Position ändert, einen möglichen Fehler in der binären Erfassung hervorruft, der dementsprechend zu einer Anomalie führen kann, beispielsweise zu einem Fehler in der absoluten Positionsverarbeitung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung mit einer Erfassungseinheit bereitzustellen, die relativ einfach maschinenseitige Anforderungen bezüglich der Vergrößerung von Durchgangslöchern bewerkstelligen kann, wobei gleichzeitig eine geringere Beeinträchtigung in der Erfassungsgenauigkeit bewirkt wird und ein kleinerer Fehler in der absoluten Positionsverarbeitung aufgrund einer Änderung in der Krümmung eines Erfassungszielobjekts entsteht.
Eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Erfassungszielobjekt, eine inkrementelle Erfassungseinheit und eine Erfassungseinheit für eine absolute Position, wobei das Erfassungszielobjekt eine inkrementelle Scheibe und eine Kodierscheibe für eine absolute Position aufweist, wobei die inkrementelle Scheibe koaxial an einer Drehwelle eines Messungszielobjekts befestigt ist und ein sich n-mal wiederholendes, gleichmäßiges Muster aufweist, wobei die Kodierscheibe für eine absolute Position koaxial zur inkrementellen Scheibe angeordnet ist und einen unregelmäßigen, zyklischen Code aufweist, der eine binäre Zufallszahlenfolge mit einer Maximallänge von n Bits umfasst, wobei die inkrementelle Erfassungseinheit gegenüber der inkrementellen Scheibe angeordnet ist, und wobei die Erfassungseinheit für eine absolute Position gegenüber der Kodierscheibe für eine absolute Position angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Speicher zum Speichern eines Korrekturparameters entsprechend einer sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts und eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines Drehwinkels des Messungszielobjekts unter Verwendung des Korrekturparameters entsprechend der sich wiederholenden Datengröße „n“ basierend auf Erfassungsdaten, die durch die inkrementellen Erfassungseinheit erfasst werden, und Erfassungsdaten, die von der Erfassungseinheit für eine absolute Position erfasst werden.
Bei der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird auf die Eingabe von Daten hin, die der sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts entsprechen, für eine Erstverarbeitung bei Aktivierung durch eine Steuerungsvorrichtung, die mit der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung verbunden ist, der Korrekturparameter, der der sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungsziels entspricht und vorab im Speicher gespeichert wurde, in einem Erfassungsvorgang wiedergegeben.
Weiter kann bei der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung der Korrekturparameter, der im Speicher gespeichert ist, ein Korrekturparameter für einen Schwellwert der Erfassungseinheit für eine absolute Position sein, oder der Korrekturparameter, der im Speicher gespeichert ist, kann ein Interpolations-Korrekturparameter für die inkrementelle Erfassungseinheit sein.
Weiter kann bei der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Basisausdruck, mit dem der Korrekturparameter berechnet wird, im Speicher gespeichert sein, wobei auf die Eingabe der Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts hin der Korrekturparameter auf Grundlage des Basisausdrucks hin berechnet wird.
Mit der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung können Anforderungen seitens einer Maschine bezüglich verschiedener Durchgangslochgrößen durch eine relativ einfache Gestaltung und Herstellung erfüllt werden, wobei eine stabile absolute Positionsverarbeitung mit hoher Erfassungsgenauigkeit durchgeführt werden kann, und wobei auch ein Vorteil dahingehend entsteht, dass der Entwicklungszeitraum und die Herstellungskosten reduziert sind. Weiter kann eine einzige Art von Erfassungseinheit in verschiedensten Fällen eingesetzt werden, wodurch Kosten für die Instandhaltung signifikant reduziert werden können.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben und erklärt. In den Zeichnungen:

1 ist eine perspektivische Ansicht einer Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das einen schematischen Aufbau einer Signalverarbeitungsschaltung einer Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer konventionellen hohlen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung zeigt;
4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer konventionellen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung zeigt;
5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer konventionellen Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung zeigt, das zum in 4 gezeigten Beispiel verschieden ist; und
6 ist ein Diagramm, das einen schematischen Aufbau einer Signalverarbeitungsschaltung der in 5 gezeigten Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung zeigt.

Wie in 1 gezeigt ist, umfasst eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung 100 einer Ausführungsform gemäß der Erfindung ein Erfassungszielobjekt 10 mit einer inkrementellen Scheibe 11 und einer Kodierscheibe 12 für eine absolute Position, und eine Erfassungseinheit 16. Die inkrementelle Scheibe 11 weist ein sich n-mal wiederholendes, regelmäßiges Muster auf und ist koaxial an einer Drehwelle oder Ähnlichem einer Maschine befestigt, wobei die Maschine ein Messungszielobjekt darstellt (nicht gezeigt). Die Kodierscheibe 12 für eine absolute Position ist koaxial zur inkrementellen Scheibe 11 angeordnet und weist einen unregelmäßigen zyklischen Kode auf, der eine binäre Zufallszahlensequenz mit einer maximalen Länge von n-Bits umfasst. Die Erfassungseinheit 16 ist an einem nichtdrehenden Element der Maschine befestigt, wie beispielsweise an einem Flansch (nicht gezeigt).
Die inkrementelle Scheibe 11 ist ein Stirnzahnrad mit einer Anzahl von n Zähnen, wobei die Grundteilungs- oder -abstandslänge etwa 1,256 mm ist. Die Kodierscheibe 12 für eine absolute Position weist an ihrem äußeren Umfang unregelmäßige Ausschnitte auf, um unter Verwendung dieser Ausschnitte einen Kode zu binärisieren, bei dem die Länge eines Bit gleich der Grundabstandslänge der inkrementellen Scheibe 11 von etwa 1,256 mm ist. Ein unregelmäßiger zyklischer Kode ist dabei so gegeben, dass jeder der Kodes für einen entsprechenden Satz von neun nacheinander gelesenen Bits einzigartig ist.
Die Erfassungseinheit 16, die maschinenseitig (nicht gezeigt) an einem nicht-drehenden Element der Maschine, wie beispielsweise an einem Flansch oder Ähnlichem, befestigt ist, umfasst acht magnetoresistive Elemente 101a bis 101h (in 2 gezeigt) für das Erfassen einer magnetischen Flussdichten, die sich aufgrund der unebenen Stellen 18 der inkrementellen Scheibe 11 ändert, und neun magnetoresistive Elemente 101i bis 101q (in 2 gezeigt) für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte 13 der Kodierscheibe 12 für eine absolute Position ändert.
Die acht magnetoresistiven Elemente 101a bis 101h für das Erfassen der unebenen Stellen 18 der inkrementellen Scheibe 11 sind so angeordnet, dass orthogonale Zwei-Phasen-Signale erzeugt werden können. Das heißt, dass relativ zu einem ersten Element, das als Referenz verwendet wird, das zweite, das dritte, das vierte, das fünfte, das sechste, das siebte und das achte Element in der axialen Messrichtung entsprechend um das 0,25-fache (1/4) der Teilungs- oder Abstandslänge (etwa 0,314 mm), das 0,5-fache (1/2) der Abstandslänge, das 0,75-fache (3/4) der Abstandslänge, eine (1) Abstandslänge, das 1,25-fache (5/4) der Abstandslänge, das 1,5-fache (3/2) der Abstandslänge und das 1,75-fache (7/4) der Abstandslänge versetzt angeordnet sind. Das erste und das fünfte Element erfassen eine positive Sinusphase; das zweite und sechste Element erfassen eine positive Kosinusphase; das dritte und siebte Element erfassen eine negative Sinusphase; und das vierte und achte Element erfassen eine negative Kosinusphase. Weiter sind die neun magnetoresistiven Elemente 101i bis 101q für das Erfassen der Ausschnitte 13 der Kodierscheibe 12 für eine absolute Position so angeordnet, dass ein Signal erzeugt wird, dass das Vorhandensein und das Nichtvorhandensein eines Ausschnitts binärisiert. Das heißt, die neun Elemente sind eine um Abstandslänge getrennt voneinander angeordnet, sodass ein Kode für neun aufeinanderfolgende Bits gelesen wird.
2 ist ein Diagramm, das einen schematischen Aufbau einer Schaltung für das Verarbeiten eines Signals zeigt, das durch die Erfassungseinheit 16 erzeugt wird. In der Schaltung bilden die Operationseinheiten 107a und 107b und eine CPU 107c eine Berechnungseinheit 17. Widerstandsänderungspegel (Spannungspegel nach der Umwandlung), die durch die magnetoresistiven Elemente 101a bis 101h für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der unebenen Stellen 18 der inkrementellen Scheibe 11 ändert, erzeugt werden, werden zu den Differenzialverstärkern 102a und 102b geschickt, wobei Signale derselben Phase miteinander verbunden und unter Verwendung einer Differenz in der Polarität verstärkt werden, wobei diese danach durch die Analog/DigitalWandler 103a und 103b digitalisiert werden, sodass Zwei-Phasen-Signale Sdo und Cdo entstehen.
Im in 2 gezeigten Speicher 104a werden Versatzkorrekturwerte entsprechend der Größe des Erfassungszielobjekts 10 der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung 100 nach gespeichert. Als Beispiel wird nun angenommen, dass maschinenseitig Bedarf nach vier verschiedenen Durchgangslöchern des Erfassungszielobjekts 10 besteht, und dementsprechend werden Erfassungszahnräder oder die inkrementelle Scheibe 11, die das Erfassungszielobjekt 10 darstellt, mit 256, 360, 420 und 500 Zähnen entsprechend aufgereiht. In diesem Fall ist für jede Anzahl von Zähnen der optimale Versatzkorrekturwert im Speicher 104a gespeichert. Die Datengröße „n“ eines Erfassungszielobjekts, die die Operationseinheit 107a von der Steuerungseinheit 108 erhält, wird zum Zeitpunkt der anfänglichen Kommunikation, wie bei der Aktivierung, zum Speicher 104a geschickt, so dass der optimale Versatzkorrekturwert für diese Anzahl von Zähnen n ausgewählt wird. Somit werden Versatzkorrekturwerte Sofs_n und Cofs_n, die von den jeweiligen digitalen Signalen Sdo und Cdo abgezogen werden sollen, im Speicher ausgewählt, und eine Versatzkomponente wird durch die Subtrahierer 105a und 106a abgezogen. Die resultierenden Zwei-Phasen-Signale Sd und Cd, von denen eine Versatzkomponente entfernt wurde, werden im Teiler 106 einer Tangenssignalverarbeitung unterzogen, sodass ein Signal Tan_d ensteht, und dann in der Operationseinheit 107a einer Arcustangensoperation, um so eine absolute Position θp innerhalb der Grundabstandslänge zu erhalten.
Als optimaler Versatzkorrekturwert Sofs_n oder Cofs_n für eine Anzahl von Zähnen wird ein Korrekturwert vorab gespeichert, der für eine Kombination mit einem Erfassungszahnrad mit genau dieser Anzahl von Zähnen gemessen wurde. Ein Verfahren für das Messen des optimalen Versatzkorrekturwertes umfasst ein Verfahren, bei dem man den Mittelwert zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der Signalpegel Sdo oder Cdo enthält, oder ein Verfahren, bei dem ein Mittel aus allen Signalpegeln innerhalb der Grundabstandslänge berechnet wird usw. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Methode für das Messen des optimalen Versatzkorrekturwertes beschränkt. In jedem Fall wird, auch wenn die Anzahl von Zähnen der inkrementellen Scheibe 11 oder des Erfassungszahnrads verändert werden sollten, eine Versatzkomponente auf die optimale Weise entfernt, sodass sich die Genauigkeit der Erfassung durch die Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung 100 nicht verschlechtert.
Im Folgenden wird ein Vorgang beschrieben, welcher bei den magnetoresistiven Elementen 101i bis 101q für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte 13 der Kodierscheibe 12 für eine absolute Position ändert, abläuft.
Widerstandsänderungspegel (Spannungspegel nach der Umwandlung), die von den magnetoresistiven Elementen 101i bis 101q für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte 13 der Kodierschicht 12 für eine absolute Position ändert, ausgegeben werden (zum Zwecke der Kürze sind nicht alle neun Elemente gezeigt), werden von den Verstärkern 102c bis 102k verstärkt, bevor sie in den Analog/Digital-Wandlern 103c bis 103k in digitale Signale A1do bis A9do gewandelt werden.
Im Speicher 104b sind Korrekturparameter für Schwellwerte entsprechend der Größe der Erfassungszielobjekte 10 der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung 100 gespeichert. Insbesondere sind, ähnlich zum Speicher 104a, Korrekturparameter für den optimalen Schwellwert einer jeden maximalen Kodelänge der verwendeten Kodierscheibe 12 für eine absolute Position im Speicher 104b gespeichert.
Weiter wird die Datengröße „n“ eines Erfassungszielobjekts 10, die die Operationseinheit 107a von der Steuerungseinheit 108 erhält, zum Zeitpunkt einer anfänglichen Kommunikation, wie beispielsweise bei der Aktivierung, zum Speicher 104b geschickt, sodass ein Korrekturparameter für den optimalen Schwellwert für die maximale Kodelänge n eines absoluten Positionskodes ausgewählt wird. Deshalb wird der optimale Schwellwert (Versatzkorrekturwert) A1ofs_n bis A9ofs_n im Speicher 104b ausgewählt und von den digitalen Signalen A1do bis A9do mittels der Subtrahierer 105c bis 105k entfernt.
Die positiven/negativen binärisierten Signale A1d bis A9d werden in der Operationseinheit 107 zusammen mit dem Wert oder der Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts 10, die die Drehwinkel-Erfassungseinheit 100 von der mit ihr verbundenen Steuerungseinheit 108 erhält, einer absoluten Positionsverarbeitung unterzogen, um so eine Position θa zu erhalten, die eine Position innerhalb einer in n Teile geteilten Drehung angibt. Danach werden die absolute Position θp innerhalb der Grundabstandslänge und die Position θa, die eine Position innerhalb einer in n Teile geteilten Drehung angibt, in der CPU 107c einer Stellenanpassung (Verbindungsprozess) unterzogen, um so eine absolute Position θ zu erhalten.
Als Korrekturparameter (A1ofs_n bis A9ofs_n) für einen Schwellwert, der der maximalen Kodelänge eines absoluten Positionskodes entspricht, wird der optimale Wert, der für diese Kombination mit der Kodierscheibe 12 für eine absolute Position in dieser Größe gemessen wurde, vorab gespeichert. Als Verfahren für das Bestimmen eines Korrekturparameters für den optimalen Schwellwert wird ein Verfahren für das Bestimmen des Mittelwerts zwischen den Werten mit dem geringsten Unterschied auf den entsprechenden positiven und negativen Seiten verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Methode für das Bestimmen des optimalen Korrekturparameters begrenzt. In jedem Fall kann, auch wenn die maximale Kodelänge eine absoluten Positionskodes der Kodierscheibe 12 für eine absolute Position verändert wird, ein möglicher Erfassungsfehler bei der binären Bestimmung reduziert werden, da der Schwellwert optimal gewählt wird.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, bei der ein Korrekturparameter unter Verwendung eines Basisausdrucks bestimmt wird. Vorher wird jedoch ein Phänomen beschrieben, das eine Änderung in einem Versatzwert und/oder einem Schwellwert aufgrund einer Änderung der Krümmung des Erfassungszielobjekts 10 verursachen kann.
Es ist zu beachten, dass ein Magnet zur Vormagnetisierung (nicht gezeigt) als ein strukturelles Element, das ein magnetoresistives Element umgibt, zusätzlich auf der gegenüberliegenden Seite des Erfassungszielobjekts 10 bereitgestellt ist, wobei sich das magnetoresistive Element dazwischen befindet. Der magnetische Fluss, der vom Magnet zur Vormagnetisierung erzeugt wird, umfasst Bereiche mit einer größeren magnetischen Flussdichte und Bereiche mit einer geringeren magnetischen Flussdichte, die aus dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der unebenen Stellen 18 oder der Ausschnitte 13 des Erfassungszielobjekts 10 resultieren. Ein magnetoresistives Element, das zwischen dem Magnet zur Vormagnetisierung und dem Erfassungszielobjekt 10 angeordnet ist, erfasst die hohe/geringe magnetische Flussdichte.
Bezugnehmend auf das obige wird, wenn die Krümmung des Erfassungszielobjekts 10 und somit der Abstand zwischen dem Magnet zur Vormagnetisierung und der unebenen Stelle 18 oder dem Ausschnitt 13 geringer wird, der Änderungsbereich (Unterschied) der magnetischen Flussdichte größer, und ein Versatzbetrag der magnetischen Flussdichte wird ebenfalls größer. Deshalb ist es möglich, basierend auf Experimenten und Messungen dieser Beziehung eine Beziehung und eine Regelmäßigkeit zwischen der Krümmung (Datengröße) des Erfassungszielobjekts 10 und einer Versatzkomponente zu bestimmen. Alternativ kann eine Beziehung und eine Regelmäßigkeit zwischen der Krümmung (Datengröße) des Erfassungszielobjekts und einer Versatzkomponente unter Verwendung einer Analysemethode bestimmt werden, wie beispielsweise durch ein FEM Magnetfeldanalysewerkzeug. Die so erhaltene Beziehung und die Regelmäßigkeit werden durch einen Basisausdruck ausgedrückt, der einen genäherten Ausdruck umfasst, und ein Korrekturparameter kann basierend auf dem Basisausdruck bestimmt werden. Ein Beispiel eine Basisausdrucks für das Berechnen eines Korrekturparameters für einen Schwellwert bezogen auf das magnetoresistive Element 101i für das Erfassen einer magnetischen Flussdichte, die sich aufgrund der Ausschnitte 13 der Kodierscheibe 12 für eine absolute Position ändert, ist unten gezeigt (Ausdruck 1). $Alofs_n = α \cdot n + β$
Hier bezeichnet n einen Wert, der die Datengröße des Erfassungszielobjekts 10 entsprechend einer maximalen Kodelänge eines absoluten Positionskodes angibt. Das heißt, da ein lineares Verhältnis zwischen der Krümmung des Erfassungszielobjekts 10 und einem Korrekturparameter eines Schwellwerts besteht, ändert sich der Korrekturwert eines Schwellwerts proportional zur Datengröße des Erfassungszielobjekts 10, wie es aus dem Ausdruck 1 ersichtlich ist.
Im Speicher 104b wird auf die Eingabe der Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts 10 hin ein Korrekturparameter des Schwellwertes basierend auf dem Basisausdruck entwickelt. Ein wesentlicher Vorteil hiervon liegt darin, dass, wo es früher nötig war auf eine Anfrage bezüglich einer Größe des Erfassungszielobjekts 10 hin verschiedene Korrekturparameter für diese Größe zu messen und diese Daten in die Speicher 104a und 104b einzugeben, es hier unnötig ist neue Messungen durchzuführen, um einen Parameter zu erhalten, da insbesondere verschiedene Korrekturparameter unter Verwendung des Basisausdrucks bestimmt werden können.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine spezielle Form des Basisausdrucks begrenzt ist. Die Gestalt des Basisausdrucks kann sich zusammen mit einer Änderung im Erfassungsprinzip oder einem Material (magnetische Permeabilität) des Erfassungszielobjekts 10 verändern. Die vorliegende Erfindung ist lediglich dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene optimale Korrekturwerte für die Datengröße des Erfassungszielobjekts 10 unter Verwendung eines Basisausdrucks bestimmt werden.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde oben beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Obige beschränkt. Obwohl ein Magnettyp beschrieben ist, der ein magnetoresistives Element für die Erfassung verwendet, kann die Technik der vorliegenden Erfindung auch im Falle von elektromagnetischer Induktion unter Verwendung einer Spule angewendet werden. Der Punkt ist, dass jede Vorrichtung mit einer Erfassungseinheit 16, die Erfassungszielobjekte 10 mit verschiedenen Größen bewältigen kann und ausgelegt ist, um verschiedene Korrekturparameter in der Erfassungseinheit 16 als Antwort auf eine Änderung der Krümmung des Erfassungszielobjekts 10 optimieren kann, als Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Weiter gibt es zwischen der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik im schematischen Aufbau einen Unterschied in der Art und Weise, wie eine Datengröße von der CPU 107c oder einer Operationseinheit zu den Speichern 104a, 104b übertragen wird. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Obwohl verschiedene Elemente getrennt voneinander gezeigt sind, um die entsprechenden Funktionen zu beschreiben, können die Speicher 104a und 104b, die Subtrahierer 105a bis 105k, der Teiler 106, die Operationseinheiten 107a und 107b und die CPU 107c als eine einzige CPU ausgebildet sein. Deshalb kann die vorliegende Vorrichtung derart aufgebaut sein, dass sie nicht offensichtlich von einer konventionellen Vorrichtung unterschieden werden kann. Der Punkt ist, dass jede Vorrichtung mit einer Funktion für das Optimieren verschiedener Korrekturparameter in der Erfassungseinheit 16 als Antwort auf eine Änderung der Krümmung des Erfassungszielobjekts 10 hin als Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Eine Drehwinkel-Fassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei Industriemaschinen und Werkzeugmaschinen verwendet werden.

Claims

Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung, umfassend: - ein Erfassungszielobjekt (10); - eine inkrementelle Erfassungseinheit (14); und - eine Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position, wobei das Erfassungszielobjekt (10) eine inkrementelle Scheibe (11) und eine Kodierscheibe (12) für eine absolute Position aufweist, wobei die inkrementelle Scheibe (11) koaxial an einer Drehwelle eines Messungszielobjekts befestigt ist und ein sich n-mal wiederholendes, regelmäßiges Muster aufweist; wobei die Kodierscheibe (12) für eine absolute Position koaxial zur inkrementellen Scheibe (11) angeordnet ist und einen unregelmäßigen, zyklischen Kode aufweist, der eine binäre Zufallszahlenfolge mit einer Maximallänge von n Bits umfasst; wobei die inkrementelle Erfassungseinheit (14) gegenüber der inkrementellen Scheibe (11) angeordnet ist; und wobei die Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position gegenüber der Kodierscheibe (12) für eine absolute Position angeordnet ist; wobei die Vorrichtung weiter umfasst: - einen Speicher zum Speichern eines Korrekturparameters entsprechend einer sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10); und - eine Berechnungseinheit zum Berechnen eines Drehwinkels des Messungszielobjekts unter Verwendung des Korrekturparameters entsprechend der sich wiederholenden Datengröße „n“, basierend auf Erfassungsdaten, die von der inkrementellen Erfassungseinheit (14) erfasst werden, und Erfassungsdaten, die von der Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position erfasst werden, wobei auf die Eingabe von Daten hin, die der sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10) entsprechen, für eine Erstverarbeitung bei Aktivierung durch eine Steuerungsvorrichtung (108), die mit der Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung verbunden ist, der Korrekturparameter, der der sich wiederholenden Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10) entspricht und vorab im Speicher gespeichert wurde, in einem Erfassungsvorgang wiedergegeben wird.
Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Korrekturparameter, der im Speicher gespeichert ist, ein Korrekturparameter für einen Schwellwert der Erfassungseinheit (15) für eine absolute Position ist.
Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Korrekturparameter, der im Speicher gespeichert ist, ein Interpolations-Korrekturparameter für die inkrementelle Erfassungseinheit (14) ist.
Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei - ein Basisausdruck, mit dem der Korrekturparameter berechnet wird, im Speicher gespeichert ist, und - auf die Eingabe der Datengröße „n“ des Erfassungszielobjekts (10) hin der Korrekturparameter auf Grundlage des Basisausdrucks berechnet wird.