DE102018127070A1

DE102018127070A1 - Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente

Info

Publication number: DE102018127070A1
Application number: DE102018127070.4A
Authority: DE
Inventors: Heng-Sheng Hsiao; Zhi-Hao Xu; Chih-Mao Shiao
Original assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Current assignee: Hiwin Mikrosystem Corp
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-04-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente bereit, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Drehwinkel von mindestens zwei unterschiedlichen Abschnitten an einem Drehwellenelement erfasst werden, wobei eine Drehwinkeldifferenz zwischen den Drehwinkeln der beiden Abschnitte mit einer Nullreferenz verglichen wird, um zu bestimmen, ob bei dem Drehwellenelement während der Drehbewegung eine Torsion aufgetreten ist, wobei ferner das Drehmoment des Drehwellenelements anhand der Drehwinkeldifferenz analysiert werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erfassungstechnik für Drehbewegungen und insbesondere einen Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente.
Stand der Technik
Um Kenntnis über den Bewegungszustand eines Drehwellenelements in einer Werkzeugmaschine (z.B. einer Spindel, einem Motor oder einer Drehwelle) zu erhalten, wurde eine aus dem Stand der Technik bekannte Technik, die nachstehend beschrieben wird, offenbart: Der Drehwinkel eines Drehwellenelements wird mittels eines Drehgebers gemessen und basierend auf dem gemessenen Drehwinkel können nach der Berechnung die Daten wie Winkel-, Geschwindigkeits- und Positionsdaten erhalten werden, die als Parameter für die automatische Steuerung verwendet werden können.
Zwar sind aus dem Stand der Technik einige herkömmliche Erfassungstechniken bekannt, mit denen der Drehzustand eines Drehwellenelements erfasst werden kann, jedoch ist es aufgrund der immer höheren Ansprüche an die Präzision in der Automatisierungs- und Steuerungstechnik zusätzlich zur Kenntnis über den Drehwinkel eines Drehwellenelements ferner erforderlich die im Drehwellenelement auftretende Torsion zu ermitteln und diese ebenfalls als Steuerungsparameter für die Automatisierungs- und Steuerungstechnik heranzuziehen. Allerdings gibt es im Stand der Technik bisher keine zufriedenstellende Gestaltung für die Erfassungstechnik der Torsion der Drehwellenelemente.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente bereitzustellen, mit dem zur Analyse des Drehmoments während der Drehung der Torsionszustand eines Drehwellenelements erfasst werden kann.
Technische Lösung
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung einen Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Drehwinkel von mindestens zwei unterschiedlichen Abschnitten eines Drehwellenelements erfasst werden können, wobei die Drehwinkeldifferenz zwischen den beiden Abschnitten mit einer Nullreferenz verglichen wird, um zu bestimmen, ob während der Drehbewegung eine Torsion des Drehwellenelements aufgetreten ist, wobei ferner das Drehmoment des Drehwellenelements anhand der Drehwinkeldifferenz analysiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die durch einen herkömmlichen Drehgeber bereitgestellte Drehwinkelerfassungstechnologie direkt angewendet werden kann, wobei mindestens zwei unterschiedliche Abschnitte an einem Drehwellenelement durch mindestens zwei Drehgeber erfasst werden, wobei die beiden unterschiedlichen Abschnitte in einer entlang der Drehachse des Drehwellenelements verlaufenden Richtung voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei während der Drehung des Drehwellenelements eine Drehwinkeldifferenz zwischen dem sich nahe eines Eingangsendes befindlichen Abschnitt und dem sich nahe eines Ausgangsendes befindlichen Abschnitt des Drehwellenelements erfasst wird.
Hierbei können die Drehgeber inkrementelle optische Drehgeber, absolute optische Drehgeber, inkrementelle magnetische Drehgeber oder absolute magnetische Drehgeber sein.
Um außerdem den Drehzustand des Drehwellenelements zu erfassen, können die Drehgeber jeweils eine inkrementelle Codierung bzw. eine absolute Codierung aufweisen, wobei ferner der sich nahe des Ausgangsendes befindliche Drehgeber einen ringförmigen magnetischen Bereich aufweist, der koaxial zur Drehachse des Drehwellenelements ausgerichtet ist, wobei durch die Erfassungseinheiten der Drehgeber ein Magnetpolwechsel des magnetischen Bereichs erfasst wird.
Figurenliste
Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen in:

1 eine perspektivische Ansicht eines Codestücks eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Ansicht des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Analyse-Ablaufdiagramm des ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine perspektivische Ansicht eines Codestücks eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 eine perspektivische Ansicht des zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Es wird zunächst auf die 1 und 2 Bezug genommen. Der gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente 10 umfasst im Wesentlichen ein Drehwellenelement 10 und zwei Drehgeber 30.
Das Drehwellenelement 20 hat eine zylindrische Form und dient als ein Übertragungselement zur Übertragung einer Drehbewegung, wie es beispielsweise in einem Motor, einer Spindel, einer Drehwelle oder einer Werkzeugmaschine verwendet wird. Da Drehwellenelemente im Allgemeinen aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird dessen Gestaltung hierin nicht weiter im Detail beschrieben.
Die Drehgeber 30 basieren auf der herkömmlichen magnetischen Erfassungstechnik für Drehgeber zur Analyse des Drehwinkels, durch die die Drehwinkel eines Drehwellenelements 20 erfasst werden können. Anders als im Stand der Technik, wo nur ein einziger Drehgeber zur Erfassung des Drehwinkels während der Drehbewegung verwendet wird, sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung mindestens zwei Drehgeber 30 vorgesehen, wobei die beiden Drehgeber 30 jeweils so konfiguriert sind, dass sie den Drehwinkel von verschiedenen Abschnitten des Drehwellenelements 20 erfassen. Wie in 3 gezeigt ist, lässt sich bei der Analyse der durch die Drehgeber 30 erfassten Daten bestimmen, ob die zur gleichen Zeit erfasste Drehwinkeldifferenz zwischen verschiedenen Abschnitten des Drehwellenelements 20 mit einem Referenzwert eines vorherigen Nullabgleichs übereinstimmt. Wenn sich die Drehwinkeldifferenz vom Referenzwert unterscheidet, bedeutet dies, dass eine Torsion zwischen den beiden unterschiedlichen erfassten Abschnitten besteht, wobei in diesem Fall anhand der Abweichung der Drehwinkeldifferenz von dem Referenzwert ferner das Drehmoment des Drehwellenelements 20 berechnet werden kann und in der Industrie als ein Steuerungsparameter verwendet werden kann.
Insbesondere weist jeder Drehgeber 30 ein Codestück 31 und eine zur Erfassung dienende Erfassungseinheit 32 auf.
Hierbei beinhaltet jedes der Codestücke 31 einen scheibenförmigen Körperabschnitt 311, der koaxial zur Zylinderachse des Drehwellenelements 20 ausgerichtet ist und am Drehwellenelement 20 befestigt ist, wobei an dem Körperabschnitt 311 jeweils ein magnetischer Bereich 313 sowie ein inkrementell codierter und ringförmig ausgebildeter Codierbereich 312 vorgesehen ist, der koaxial zur Zylinderachse des Drehwellenelements 20 ausgerichtet ist und an einer Seitenfläche des Körperabschnitts 311 angeordnet ist.
Die jeweilige Erfassungseinheit 32 ist an einem externen Befestigungselement (nicht gezeigt) befestigt und ist an einer festen Position positioniert, um den jeweiligen Codierbereich 312 und den jeweiligen magnetischen Bereich 313 des korrespondierenden Codestücks 31, die bei der Drehung des Drehwellenelements 20 mitbewegt werden, zu erfassen und entsprechende Erfassungssignale zu erzeugen, wobei der Drehwinkel des Drehwellenelements 20 durch die Analyse der von den Codierbereichen 312 erfassten Erfassungssignalen bestimmt werden kann und ein Versatzbetrag des Drehwellenelements 20 durch die Analyse der von den magnetischen Bereichen 313 erfassten Erfassungssignalen bestimmt werden kann.
Ferner können die Erfassungseinheiten 32 beispielsweise ein Hall-Element oder ein magnetoresistives Element sein, wobei die Verwendung derartiger Elemente zum Erfassen einer magnetischen Änderung aus dem Stand der Technik bekannt ist. Als Alternative dazu, dass die Codierung der Codierbereiche 313, wie oben erwähnt ist, eine absolute Codierung ist, können die Codierbereiche 313 außerdem inkrementell codiert sein. Da derartige magnetische Erfassungstechnologien zum Erfassen des Drehwinkels aus dem Stand der Technik bereits bekannt sind werden sie hierin nicht weiter im Detail beschrieben.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Körperabschnitte 311 der beiden Drehgeber 30 separat voneinander koaxial an den axialen Enden des Drehwellenelements 20 angeordnet und durch einen vorgegebenen Abstand voneinander getrennt. Somit unterscheidet sich das Erfassungsergebnis, das durch eine auf den jeweiligen Codierbereich 313 des jeweiligen Körperabschnitts 31 ausgerichtete Erfassungseinheit 32 erhalten wird, in Abhängigkeit davon, ob während der Drehbewegung eine Torsion des Drehwellenelements 20 auftritt. Wenn bei der Drehbewegung des Drehwellenelements 20 keine Torsion auftritt, ist die Differenz der durch die beiden Drehgeber 30 erfassten Drehwinkel gleich einem Referenzwert des Nullabgleichs. Wenn bei der Drehbewegung des Drehwellenelements 20 hingegen eine Torsion aufgetreten ist, ist die erfasste Differenz zwischen den zwei Drehwinkeln verschieden vom Referenzwert. Ferner kann das Drehmoment des Drehwellenelements basierend auf der ermittelten Drehwinkeldifferenz und dem vorgegebenen Abstand berechnet werden.
Der magnetische Bereich 313 weist mehrere ringförmige und konzentrisch angeordnete Magnetpole auf, wobei deren Zentrum jeweils auf der Zylinderachse des Drehwellenelements 20 liegt. Wenn für das Drehwellenelement 20 während der Drehbewegung kein Radialversatz auftritt, sind die Achsenzentren der Magnetpole, die sich mit dem Drehwellenelement drehen, demzufolge mit ihren eigenen Zentren identisch. Wenn jedoch während der Drehbewegung ein Radialversatz des Drehwellenelements 20 entsteht, führt dies dazu, dass die Achsenzentren der Magnetpole dann von ihren eigenen Zentren verschieden sind. In diesem Fall können die Erfassungseinheiten 32 eine Veränderung der Magnetpole erfassen, wobei entsprechende Erfassungssignale erzeugt werden, wobei anhand dieser Erfassungssignale bestimmt werden kann, ob bei dem Drehwellenelement 20 ein Radialversatz aufgetreten ist und wie groß ein entsprechender Versatzbetrag ist.
Der Aufbau der Codestücke kann entweder dem Aufbau entsprechen, der in dem oben beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, oder kann dem Aufbau gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel entsprechen, das in den 4 und 5 gezeigt ist, wobei bei dem Aufbau gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Körperabschnitt 311a des jeweiligen Codestücks 31a ringförmig ist und mittels eines Befestigungsstücks 314a am Drehwellenelement 20a befestigt ist, wobei gleichzeitig ein Codierbereich 312a und ein magnetischer Bereich 313a an der äußeren Umfangsseite des jeweiligen Körperabschnitts 311a angeordnet sind, wobei die Codierbereiche 312a absolut codiert sind. Auf diese Weise kann ein Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente 10a, der die Codestücks 31a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendet, wie der mit den Codestücken 31 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel versehene Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente mittels der Erfassungseinheiten 32a erfassen, ob bei der Drehung des Drehwellenelements 20a eine Torsion oder sogar ein Drehmoment aufgetreten ist. Dadurch, dass die mehreren Magnetpole der magnetischen Bereiche 313a sequenziell entlang einer Axialrichtung des Drehwellenelements 20a angeordnet sind, ist es möglich durch die Erfassung der Magnetpole bzw. einer Veränderung der Magnetpole außerdem zu analysieren, ob bei dem Drehwellenelement 20a ein Axialversatz aufgetreten ist bzw. wie groß der Versatzbetrag ist, wenn dieser auftritt, sodass die gleichen vorteilhaften Effekte wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden können.

Claims

Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente, umfassend: ein Drehwellenelement, das eine zylindrische Form hat und sich um seine eigene Zylinderachse, die als Drehachse dient, drehen kann; zwei Drehgeber, die jeweils die Drehwinkel an zwei unterschiedlichen, zu erfassenden Abschnitten des Drehwellenelements erfassen, wobei die zu erfassenden Abschnitte in der Richtung der Zylinderachse des Drehwellenelements durch einen festen Abstand voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Drehgeber jeweils einen ringförmigen, als zu erfassenden Abschnitt dienenden Codierbereich, einen ringförmigen magnetischen Bereich und eine ringförmige, zur Erfassung des Codierbereichs und des magnetischen Bereichs dienende Erfassungseinheit umfassen, wobei die Codierbereiche und die magnetischen Bereiche koaxial zueinander an der Zylinderachse eines Drehwellenelements angeordnet sind; wobei beim Drehwellenelement, wenn die Drehwinkeldifferenz zwischen den zu erfassenden Abschnitten verschieden vom Referenzwert des Nullabgleichs ist, eine Torsion aufgetreten ist, wobei das Drehmoment des Drehwellenelements anhand der Differenz und dem festen Abstand analysiert werden kann.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 1, bei dem die Drehgeber jeweils einen Körperabschnitt aufweisen, wobei die Körperabschnitte am Drehwellenelement befestigt sind und synchron mit der Drehung des Drehwellenelements drehbar sind, wobei beim jeweiligen Körperabschnitt der jeweilige Codierbereich und der jeweilige magnetische Bereich separat angeordnet sind.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 1, bei dem die Erfassungseinheiten jeweils an einem externen Befestigungselement befestigt sind, um eine entsprechende Kenngröße des Codierbereichs und des magnetischen Bereichs zu erfassen und entsprechende Erfassungssignale zu erzeugen.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 2, bei dem die Körperabschnitte jeweils in Scheibenform ausgebildet sind, wobei die Codierbereiche jeweils separat an einer Seitenfläche des jeweiligen Körperabschnitts angeordnet sind.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 2, bei dem die Körperabschnitte jeweils in Form von ringförmigen Scheiben ausgebildet sind, wobei die Codierbereiche jeweils separat an der äußeren Umfangsseite des jeweiligen Körperabschnitts angeordnet sind.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 1, bei dem sich die gleichen Magnetpole der magnetischen Bereiche auf einer virtuellen konzentrischen kreisförmigen Spur, die auf der Zylinderachse des Drehwellenelements zentriert ist, befinden.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 6, bei dem sich die magnetischen Bereiche jeweils entlang der entsprechenden konzentrischen kreisförmigen Spur erstrecken und somit eine kontinuierliche Ringform aufweisen.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 1, bei dem die Codierbereiche jeweils absolut codiert sind.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 1, bei dem die Codierbereiche jeweils inkrementell codiert sind.
Torsionserfassungsmechanismus für Drehwellenelemente nach Anspruch 1, bei dem die Erfassungseinheiten jeweils ein Hall-Element oder ein magnetoresistives Element umfassen.