DE102016010298A1 - Drehwinkelerkennungsgerät mit Funktion zum Erkennen des Eindringens eines Fremdkörpers basierend auf einer Signalfrequenzkennlinie - Google Patents

Drehwinkelerkennungsgerät mit Funktion zum Erkennen des Eindringens eines Fremdkörpers basierend auf einer Signalfrequenzkennlinie Download PDF

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Abstract

Ein Drehwinkelerkennungsgerät umfasst einen Drehkörper, der eine Abtasteinheit aufweist, um den Drehwinkel einer Drehachse zu erkennen; eine Erkennungseinheit, die in Übereinstimmung mit der Abtasteinheit angeordnet ist; eine Drehwinkelberechnungseinheit zum Berechnen des Drehwinkels der Drehachse basierend auf Signalen, die von der Erkennungseinheit generiert werden; eine Drehzahlberechnungseinheit zum Berechnen der Drehzahl der Drehachse; und eine Anomalieerkennungseinheit zum Erkennen einer Anomalie. Die Anomalieerkennungseinheit umfasst eine Frequenzanalyseeinheit zum Berechnen der Frequenzkennlinie der Signale; eine Speichereinheit zum Speichern der Anzahl der Signale pro Umdrehung des Drehkörpers; eine Signalfrequenzberechnungseinheit zum Berechnen einer Signalfrequenz; und eine Bestimmungseinheit zum Erkennen der Anomalie in dem Erkennungsgerät, wenn die Frequenzkennlinie eine Komponente einer höheren Ordnung als die Signalfrequenz umfasst.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehwinkelerkennungsgerät und betrifft genauer gesagt ein Drehwinkelerkennungsgerät, das die Funktion des Erkennens des Eindringens eines Fremdkörpers basierend auf der Frequenzkennlinie von Signalen erfüllt.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Optische oder magnetische Erkennungsvorrichtungen, die eine Vielzahl von Signalstromschienen aufweisen, werden verwendet, um den Winkel einer Abtriebswelle eines Motors oder eines Arbeitstischs zu messen. Als Verfahren zum Erkennen einer Fehlfunktion in der Erkennungsvorrichtung sind ein Verfahren, bei dem eine Fehlfunktion (Alarm) in der Erkennungsvorrichtung erkannt wird, wenn die Amplitude jedes Signals kleiner als ein spezifischer Schwellenwert ist (beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2010-266260 ), und ein Verfahren, bei dem eine Fehlfunktion (Alarm) in der Erkennungsvorrichtung erkannt wird, wenn Signale mit verschiedenen Phasen den gleichen Spannungswert aufweisen und ein elektrischer Winkel zu diesem Zeitpunkt anders als ein „normaler elektrischer Winkel” ist, der im Voraus gespeichert wird (beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2005-147733 ) bekannt.
  • Diese Verfahren erkennen jedoch eine Fehlfunktion nur, nachdem ein Motor oder eine Werkzeugmaschine, der bzw. die mit der Erkennungsvorrichtung ausgestattet ist, versagt hat. Das Vorbereiten eines Wartungsbauteils, nachdem die Fehlfunktion erkannt wurde, benötigt Zeit für die Wiederherstellung des Motors oder der Werkzeugmaschine, und daher werden gewisse Wartungsbauteile oft im Voraus vorbereitet. Die Verwaltung der Wartungsbauteile benötigt jedoch zahlreiche Arbeitsstunden und viel Speicherplatz.
  • Um das obige Problem zu lösen, ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Anomalie der Amplitude jedes Signals unter Verwendung einer Vielzahl von Schwellenwerten erkannt wird, um die Möglichkeit einer Fehlfunktion vorwegzunehmen, bevor die Erkennungsvorrichtung völlig versagt (beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 6-66594 ). Es gibt jedoch diverse Gründe für Fehlfunktionen in der Erkennungsvorrichtung, z. B. ein Kabelbruch, elektrisches Rauschen und das Eindringen eines Fremdkörpers, wie etwa eines Schneidfluids, eines Schmiermittels und von Spänen in die Erkennungsvorrichtung, so dass es schwierig ist, eine Ursache der Fehlfunktion anzugeben und eine entsprechende Wartung auszuführen.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Da, wie zuvor beschrieben, eine Ursache einer Fehlfunktion unter Verwendung der herkömmlichen Technik schwer zu identifizieren ist, kann die Wartung nicht richtig ausgeführt werden, und die Fehlfunktion kann nach der Wartung erneut auftreten. Aus diesem Grund muss eine Fehlfunktion frühzeitig erkannt werden, um die Ursache der Fehlfunktion zu identifizieren. Insbesondere neigt ein Fremdkörper, der in eine Erkennungsvorrichtung eingedrungen ist, dazu, eine schwerwiegende Fehlfunktion zu verursachen, wie etwa Korrosion von Bauteilen auf Grund eines Schneidfluids oder Beschädigung von Bauteilen auf Grund von Spänen, und muss daher frühzeitig erkannt werden.
  • Ein Drehwinkelerkennungsgerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Drehkörper, der eine Abtasteinheit aufweist, um den Drehwinkel einer Drehachse zu erkennen; eine Erkennungseinheit, die in Übereinstimmung mit der Abtasteinheit angeordnet ist; eine Drehwinkelberechnungseinheit zum Berechnen des Drehwinkels der Drehachse basierend auf Signalen, die von der Erkennungseinheit generiert werden; eine Drehzahlberechnungseinheit zum Berechnen der Drehzahl der Drehachse basierend auf den Signalen; und eine Anomalieerkennungseinheit zum Erkennen einer Anomalie basierend auf den Signalen. Die Anomalieerkennungseinheit umfasst eine Frequenzanalyseeinheit zum Berechnen der Frequenzkennlinie der Signale; eine Speichereinheit zum Speichern der Anzahl der Signale, die von der Abtasteinheit pro Umdrehung des Drehkörpers generiert werden; eine Signalfrequenzberechnungseinheit zum Berechnen einer Signalfrequenz, die das Produkt der Anzahl der Signale, die in der Speichereinheit gespeichert ist, und der Drehzahl, die von der Drehzahlberechnungseinheit berechnet wird, ist; und eine Bestimmungseinheit zum Erkennen der Anomalie in dem Erkennungsgerät, wenn die Frequenzkennlinie eine Komponente einer höheren Ordnung als die Signalfrequenz umfasst.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung einer Ausführungsform in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser hervorgehen. Es zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Drehwinkelerkennungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Wellenformdiagramm von Signalen einer A-Phase, einer B-Phase und einer Z-Phase, die von einer Erkennungseinheit des Drehwinkelerkennungsgeräts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgegeben werden;
  • 3 eine Grafik, welche die Beziehung zwischen einer Frequenz und der Größenordnung der Frequenzkomponenten der Ausgangssignale von der Erkennungseinheit in dem Drehwinkelerkennungsgerät gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 4 ein Ablaufschema zum Erklären der Betätigung des Drehwinkelerkennungsgeräts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Drehwinkelerkennungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm eines Drehwinkelerkennungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Drehwinkelerkennungsgerät 100 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Drehkörper 1, eine Erkennungseinheit 2, eine Drehwinkelberechnungseinheit 3, eine Drehzahlberechnungseinheit 4 und eine Anomalieerkennungseinheit 5 auf. Die Anomalieerkennungseinheit 5 weist eine Frequenzanalyseeinheit 6, eine Speichereinheit 7, eine Signalfrequenzberechnungseinheit 8 und eine Bestimmungseinheit 9 auf.
  • Der Drehkörper 1 umfasst eine Abtasteinheit 10, um den Drehwinkel einer Drehachse C zu erkennen. Der Drehkörper 1 wird an einer Welle 30 eines Motors oder dergleichen bereitgestellt und um die Drehachse C gedreht. Die Abtasteinheit 10 weist eine Z-Phasen-Stromschiene 11, eine A-Phasen-Stromschiene 12 und eine B-Phasen-Stromschiene 13 auf. Auf der A-Phasen-Stromschiene 12 und der B-Phasen-Stromschiene 13 sind radiale Schlitze zum Erzeugen eines A-Phasen-Musters und eines B-Phasen-Musters als Erkennungsmuster durchgehend jeweils in regelmäßigen Schrittabständen in bestimmten Positionen gebildet, um räumlich um 90 Grad phasenverschoben zu sein. Auf der Z-Phasen-Stromschiene 11 ist ein Schlitz zum Erzeugen eines Z-Phasen-Musters gebildet. Die nachstehende Beschreibung erfolgt mit einem Drehkörper 1, an dem ein Fremdkörper 50, wie etwa ein Schneidfluid, haftet, als Beispiel.
  • Eine lichtemittierende Einheit 40, die LEDs und dergleichen umfasst, wird unterhalb des Drehkörpers 1 bereitgestellt. Die lichtemittierende Einheit 40 emittiert Licht L0 zum Drehkörper 1.
  • Die Erkennungseinheit 2 ist in Übereinstimmung mit der Abtasteinheit 10 angeordnet. Die Erkennungseinheit 2 umfasst die Erkennungselemente 21 bis 23, die jeweils ein lichtempfangendes Element, wie etwa einen Phototransistor oder eine Photodiode, aufweisen. Das Erkennungselement 21 ist ein Z-Phasen-Erkennungselement, das Licht L1 erkennt, das durch den Schlitz gegangen ist, der auf der Z-Phasen-Stromschiene 11 bereitgestellt wird, aus dem Licht L0, das von der lichtemittierenden Einheit 40 emittiert wird. Z-Phasen-Signale, die Informationen über das erkannte Licht L1 enthalten, werden an die Drehwinkelberechnungseinheit 3 ausgegeben. Das Erkennungselement 22 ist ein A-Phasen-Erkennungselement, das Licht L2 erkennt, das durch die Schlitze gegangen ist, die auf der A-Phasen-Stromschiene 12 bereitgestellt werden, aus dem Licht L0, das von der lichtemittierenden Einheit 40 emittiert wird. A-Phasen-Signale, die Informationen über das erkannte Licht L2 enthalten, werden an die Drehwinkelberechnungseinheit 3, die Drehzahlberechnungseinheit 4 und die Frequenzanalyseeinheit 6 ausgegeben. Das Erkennungselement 23 ist ein B-Phasen-Erkennungselement, das Licht L3 erkennt, das durch die Schlitze gegangen ist, die auf der B-Phasen-Stromschiene 13 bereitgestellt werden, aus dem Licht L0, das von der lichtemittierenden Einheit 40 emittiert wird. B-Phasen-Signale, die Informationen über das erkannte Licht L3 enthalten, werden an die Drehwinkelberechnungseinheit 3, die Drehzahlberechnungseinheit 4 und die Frequenzanalyseeinheit 6 ausgegeben.
  • Die Drehwinkelberechnungseinheit 3 berechnet den Drehwinkel der Drehachse C basierend auf den Signalen, die von der Erkennungseinheit 2 generiert werden. Das A-Phasen-Signal und das B-Phasen-Signal weisen eine Phasendifferenz von 90 Grad auf. Somit berechnet die Drehwinkelberechnungseinheit 3 die Drehrichtung und den Drehbetrag (Winkel) des Drehkörpers 1 basierend auf den A-Phasen-Signalen und den B-Phasen-Signalen.
  • Die Drehzahlberechnungseinheit 4 berechnet die Drehzahl der Drehachse C, indem sie die Frequenzen der A-Phasen-Signale und der B-Phasen-Signale erkennt.
  • Die Anomalieerkennungseinheit 5 erkennt eine Anomalie in dem Drehwinkelerkennungsgerät 100 basierend auf den A-Phasen-Signalen und den B-Phasen-Signalen wie folgt. Zuerst berechnet die Frequenzanalyseeinheit 6 die Frequenzkennlinien der A-Phasen-Signale und der B-Phasen-Signale. Die Frequenzanalyse kann ohne Einschränkung eine FFT-Analyse umfassen.
  • Die Speichereinheit 7 speichert die Anzahl der Signale, die aus der Abtasteinheit 10 pro Umdrehung des Drehkörpers 1 generiert werden. Die Zeit, die für eine Umdrehung des Drehkörpers 1 benötigt wird, wird als eine Zeit zwischen den angrenzenden Z-Phasen-Signalen erzielt, wie es in der unteren Hälfte von 2 gezeigt wird. Bei einem Beispiel aus 2, da das erste Z-Phasen-Signal an einem Zeitpunkt t1 erscheint und das nächste Z-Phasen-Signal an einem Zeitpunkt t2 erscheint, wird die Zeit, die für eine Umdrehung des Drehkörpers 1 benötigt wird, mit t2 – t1 berechnet. Die Anzahl der A-Phasen-Signale oder der B-Phasen-Signale, die zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 erscheinen, wird gezählt und in der Speichereinheit 7 gespeichert.
  • Die Signalfrequenzberechnungseinheit 8 berechnet eine Signalfrequenz, d. h. das Produkt der Anzahl der A-Phasen-Signale oder der B-Phasen-Signale, die in der Speichereinheit 7 gespeichert ist, und der Drehzahl, die von der Drehzahlberechnungseinheit 4 berechnet wird. Beispielsweise wie in 3 gezeigt, wird die Signalfrequenz mit f1 berechnet.
  • Die Bestimmungseinheit 9 bestimmt, ob die Frequenzkennlinie eine Komponente einer höheren Ordnung als die berechnete Signalfrequenz f1 umfasst oder nicht. Beispielsweise in einer Grafik, die Variationen der A-Phasen-Signale oder der B-Phasen-Signale im Verlauf der Zeit darstellt, wie in der oberen Hälfte von 2 gezeigt, ist auf Grund eines Fremdkörpers, der an einem hellen Bereich des Schlitzes haftet (punktierter Abschnitt), zu einem Zeitpunkt t0 in einer Kurve eine Verformung zu sehen. Als Ergebnis der FFT-Analyse der A-Phasen-Signale oder der B-Phasen-Signale, wenn eine Komponente hoher Ordnung, die durch die Verformung in der Kurve auf Grund des Fremdkörpers verursacht wird, auf einer Frequenz f2 zu sehen ist, die höher als die Signalfrequenz f1 ist, wird eine Anomalie erkannt.
  • Wenn die Bestimmungseinheit 9 die Anomalie erkennt, kann ein Erkennungsergebnis an eine externe Vorrichtung 60 ausgegeben werden. Die externe Vorrichtung 60 kann basierend auf dem Auftreten der Anomalie einen Alarm abgeben.
  • Es sei zu beachten, dass obwohl eine Komponente einer niedrigeren Ordnung als die Signalfrequenz f1 zu sehen ist, die Komponente der niedrigeren Ordnung einem anderen Faktor als dem Haften eines Fremdkörpers an dem Drehkörper 1 zuzuschreiben ist, wie etwa einer Schwingung der Welle 30 und einer unrunden Bewegung des Drehkörpers 1. Somit wird nicht bestimmt, dass die Komponente niedrigerer Ordnung durch das Haften eines Fremdkörpers an dem Drehkörper 1 verursacht wird.
  • Es sei zu beachten, dass 3 einen Fall zeigt, bei dem ein einziger Fremdkörper anhaftet, es kann jedoch eine Anomalie erkannt werden, selbst wenn eine Vielzahl von Fremdkörpern anhaftet.
  • Als Nächstes wird die Betätigung des Drehwinkelerkennungsgeräts gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf ein Ablaufschema aus 4 beschrieben. Zunächst wird in Schritt S101 der Drehkörper 1 (siehe 1), der an der Welle 30 des Motors bereitgestellt wird und die Abtasteinheit 10 zum Erkennen des Drehwinkels der Drehachse C umfasst, durch Antreiben des Motors um die Drehachse C gedreht.
  • Dann generiert die Erkennungseinheit 2, die in Übereinstimmung mit der Abtasteinheit 10 angeordnet ist, in Schritt S102 A-Phasen-Signale und B-Phasen-Signale basierend auf dem Licht L2 und L3, das von der lichtemittierenden Einheit 40 emittiert wurde und durch die Schlitze gegangen ist, die jeweils in der A-Phasen-Stromschiene 12 und der B-Phasen-Stromschiene 13 gebildet sind.
  • Dann berechnet die Drehzahlberechnungseinheit 4 in Schritt S103 die Drehzahl der Drehachse C basierend auf den A-Phasen-Signalen und den B-Phasen-Signalen.
  • Dann berechnet die Signalfrequenzberechnungseinheit 8 in Schritt S104 eine Signalfrequenz durch Multiplizieren der Anzahl der Signale pro Umdrehung, die im Voraus in der Speichereinheit 7 gespeichert wird, mit der Drehzahl.
  • Dann berechnet die Frequenzanalyseeinheit 6 in Schritt S105 eine Frequenzkennlinie basierend auf den A-Phasen-Signalen und den B-Phasen-Signalen.
  • Dann bestimmt die Bestimmungseinheit 9 in Schritt S106, ob die Frequenzkennlinie eine Komponente einer höheren Ordnung als die Signalfrequenz umfasst oder nicht.
  • Wenn die Frequenzkennlinie die Komponente der höheren Ordnung als die Signalfrequenz umfasst, wird in Schritt S107 bestimmt, dass eine Anomalie in dem Drehwinkelerkennungsgerät 100 vorliegt.
  • Wenn andererseits die Frequenzkennlinie nicht die Komponente höherer Ordnung als die Signalfrequenz umfasst, wird in Schritt S108 bestimmt, dass das Drehwinkelerkennungsgerät 100 in Ordnung ist.
  • Wie zuvor beschrieben, ermöglichen das Erkennen einer Frequenzkomponente, die eine höhere Ordnung als eine Frequenz aufweist, die der Anzahl der Schlitze zuzuschreiben ist, die in der Abtasteinheit gebildet sind, und das Abgeben eines Alarmsignals die frühzeitige Erkennung des Eindringens eines Fremdkörpers. Es sei zu beachten, dass die Schritte S103 bis S104 und der Schritt S105 gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden können.
  • Die obige Beschreibung erfolgt mit einer optischen Erkennungsvorrichtung als Beispiel des Drehwinkelerkennungsgeräts, doch die vorliegende Erfindung ist ebenso auf ein magnetisches Erkennungsgerät anwendbar.
  • Das Drehwinkelerkennungsgerät gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Eindringen eines Fremdkörpers (eines Schneidfluids oder dergleichen) erkennen, bevor das Erkennungsgerät versagt, und führt dadurch eine präventive Wartung des Erkennungsgeräts aus.
  • 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
    • JP 2010-266260 [0002]
    • JP 2005-147733 [0002]
    • JP 6-66594 [0004]

Claims (1)

  1. Drehwinkelerkennungsgerät, umfassend: einen Drehkörper (1), der eine Abtasteinheit aufweist, um den Drehwinkel einer Drehachse zu erkennen; eine Erkennungseinheit (2), die in Übereinstimmung mit der Abtasteinheit angeordnet ist; eine Drehwinkelberechnungseinheit (3) zum Berechnen des Drehwinkels der Drehachse basierend auf Signalen, die von der Erkennungseinheit generiert werden; eine Drehzahlberechnungseinheit (4) zum Berechnen der Drehzahl der Drehachse basierend auf den Signalen; und eine Anomalieerkennungseinheit (5) zum Erkennen einer Anomalie basierend auf den Signalen, wobei die Anomalieerkennungseinheit (5) Folgendes umfasst: eine Frequenzanalyseeinheit (6) zum Berechnen der Frequenzkennlinie der Signale; eine Speichereinheit (7) zum Speichern der Anzahl der Signale, die von der Abtasteinheit pro Umdrehung des Drehkörpers generiert werden; eine Signalfrequenzberechnungseinheit (8) zum Berechnen einer Signalfrequenz, die das Produkt der Anzahl der Signale, die in der Speichereinheit gespeichert ist, und der Drehzahl, die von der Drehzahlberechnungseinheit berechnet wird, ist; und eine Bestimmungseinheit (9) zum Erkennen der Anomalie, wenn die Frequenzkennlinie eine Komponente einer höheren Ordnung als die Signalfrequenz umfasst.
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