DE102018213674A1 - Sensor assembly for coordinate measurement on a workpiece - Google Patents
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Abstract
Sensorzusammenbau (1) zur Koordinatenmessung an einem Werkstück (15; 34; 40), aufweisend einen optischen oder einen taktilen Sensor (2) zur Koordinatenmessung an einem Werkstück, und einen Magnetsensor (13) zur Vermessung magnetischer Eigenschaften des Werkstücks, und Verfahren, bei denen der Sensorzusammenbau (1) verwendet wird. Ferner wird eine Anordnung mit einem solchen Sensorzusammenbau (1) und ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorzusammenbaus (1) offenbart.A sensor assembly (1) for coordinate measurement on a workpiece (15; 34; 40), comprising an optical or a tactile sensor (2) for coordinate measurement on a workpiece, and a magnetic sensor (13) for measuring magnetic properties of the workpiece, and method where the sensor assembly (1) is used. Furthermore, an arrangement with such a sensor assembly (1) and a method for calibrating a sensor assembly (1) are disclosed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensorzusammenbau zur Koordinatenmessung an einem Werkstück und eine Verwendung dieses Sensorzusammenbaus zum Vermessen von Werkstücken. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung mit dem Sensorzusammenbau und einem Kalibriernormal zum Kalibrieren des Sensorzusammenbaus und ein Verfahren zum Kalibrieren des Sensorzusammenbaus.The present invention relates to a sensor assembly for coordinate measurement on a workpiece and a use of this sensor assembly for measuring workpieces. Furthermore, the invention relates to an arrangement with the sensor assembly and a calibration standard for calibrating the sensor assembly and a method for calibrating the sensor assembly.
Mit Koordinatenmessgeräten (nachfolgend auch KMG) werden heute meist die Form und Lage von Bohrungen, Flächen, Bolzen und anderen geometrischen Elementen mittels Antastung mit einem Tastelement oder durch eine Auswertung eines Bildes bestimmt. Auch die Rauheit der Oberflächen kann durch entsprechende Zusatzvorrichtungen an einem KMG ermittelt werden. All diese Informationen sind notwendig, damit mechanische Bauteile optimal zusammen passen oder sich optimal ineinander bewegen können.With coordinate measuring machines (hereinafter also referred to as CMM), the shape and position of boreholes, surfaces, bolts and other geometric elements are usually determined by probing with a probe element or by evaluating an image. The roughness of the surfaces can also be determined by appropriate additional devices on a CMM. All this information is necessary to ensure that mechanical components fit together optimally or that they can move optimally together.
Mit zunehmender Besiedelungs- und Verkehrsdichte entsteht in vielen großen Städten der Bedarf nach immer mehr Elektromobilität, um die Umweltbelastung der Verbrennungsmotoren zu reduzieren. Gleichzeitig besteht auch die Anforderung, Elektromotoren möglichst effizient zu bauen und auf knappe und schwer zu produzierende Ressourcen wie Seltene-Erden-Metalle nach Möglichkeit zu verzichten.With increasing population and traffic densities, the demand for more and more electromobility in many large cities is developing in order to reduce the environmental impact of combustion engines. At the same time, there is also the requirement to build electric motors as efficiently as possible and to avoid scarce and difficult-to-produce resources such as rare-earth metals wherever possible.
Um möglichst effiziente Elektromotoren bauen zu können und deren gleichbleibende Qualität zu sichern, müssen neben den mechanischen Abmessungen von Stator und Rotor auch die magnetischen Eigenschaften an verschiedenen Orten relativ zur Mechanik bestimmt werden.In order to be able to build the most efficient electric motors possible and to ensure their consistent quality, in addition to the mechanical dimensions of stator and rotor, the magnetic properties at different locations relative to the mechanics must be determined.
Die Aufgabe der Erfindung bestand somit darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, womit dimensionelle und magnetische Eigenschaften von Elektromotoren oder Teilen davon bestimmt werden können.The object of the invention was therefore to provide a device and a method, whereby dimensional and magnetic properties of electric motors or parts thereof can be determined.
Nach einer grundlegenden Idee der Erfindung wird einem optischen oder taktilen Sensor zur Koordinatenmessung ein Magnetsensor zugefügt, mit dem eine Vermessung magnetischer Eigenschaften eines Werkstücks ermöglicht ist. Unter einem „Magnetsensor“ ist ein Sensor zu verstehen, mit dem Magnetfelder vermessbar sind. According to a basic idea of the invention, an optical or tactile sensor for coordinate measurement is added to a magnetic sensor, with which a measurement of magnetic properties of a workpiece is possible. A "magnetic sensor" is to be understood as meaning a sensor with which magnetic fields can be measured.
Weiter wird eine Möglichkeit zum einfachen und genauen Kalibrieren eines solchen Sensorzusammenbaus vorgeschlagen.Furthermore, a possibility for simple and accurate calibration of such a sensor assembly is proposed.
Mit der Erfindung wird es ermöglicht, dimensionelle und magnetische Eigenschaften mit einem KMG in einen Messablauf zu ermitteln und ferner einen hierfür verwendeten Sensorzusammenbau einfach und genau zu kalibrieren.With the invention, it is possible to determine dimensional and magnetic properties with a CMM in a measurement process and also to calibrate a sensor assembly used for this purpose simply and accurately.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich als Sensor zur positionsabhängigen Magnetfeldanalyse an zentral messenden kartesischen Messköpfen.The device according to the invention is suitable as a sensor for position-dependent magnetic field analysis on centrally measuring Cartesian measuring heads.
Angegeben wird von der Erfindung ein Sensorzusammenbau zur Koordinatenmessung an einem Werkstück, aufweisend
- - einen optischen oder einen taktilen Sensor zur Koordinatenmessung an einem Werkstück,
- - einen Magnetsensor zur Vermessung magnetischer Eigenschaften des Werkstücks.
- an optical or a tactile sensor for coordinate measurement on a workpiece,
- - A magnetic sensor for measuring magnetic properties of the workpiece.
Ein erfindungsgemäßer Sensorzusammenbau kann an einen bekannten bzw. schon vorhandenen Messkopf, insbesondere einen Tastkopf, eines KMG angekoppelt werden. Hierzu kann eine Schnittstelle oder Kopplungsmittel vorgesehen sein, die mit einer Schnittstelle des Messkopfs kompatibel ist/sind. Dann ist keine Änderung des Messkopfes oder bestehender elektrischer Verbindungen in einem KMG erforderlich.An inventive sensor assembly can be coupled to a known or existing measuring head, in particular a probe, a CMM. For this purpose, an interface or coupling means can be provided which is / are compatible with an interface of the measuring head. Then, there is no need to change the probe or existing electrical connections in a CMM.
Der Begriff „Werkstück“ bedeutet generell einen zu vermessenden Gegenstand. Dieser Gegenstand muss nicht zuvor bearbeitet worden sein.The term "workpiece" generally means an object to be measured. This item need not have been previously edited.
In einer Ausführungsform ist der Magnetsensor raumfest relativ zu dem optischen oder taktilen Sensor an dem Sensorzusammenbau angeordnet. Wird bei Ankopplung des Sensorzusammenbaus an ein KMG, insbesondere einen Messkopf eines KMG, der Sensorzusammenbau bewegt, insbesondere entlang Verfahrachsen des KMG, dann werden der Sensor für die Koordinatenmessung wie auch der Magnetsensor gleichsam mitbewegt und ändern ihre Lage relativ zueinander nicht.In one embodiment, the magnetic sensor is arranged fixed in space relative to the optical or tactile sensor on the sensor assembly. If, when the sensor assembly is coupled to a CMM, in particular a measuring head of a CMM, the sensor assembly is moved, in particular along trajectories of the CMM, then the coordinate measurement sensor and the magnetic sensor are also moved and do not change their position relative to each other.
In einer Ausführungsform ist der Magnetsensor nahe zu einem Messpunkt oder Antastpunkt des taktilen Sensors angeordnet. Dies bedeutet insbesondere eine Anordnung im Abstand von 0,5 - 30 mm, 0,5-20 mm, vorzugsweise 0,5-10 mm.In an embodiment, the magnetic sensor is arranged close to a measurement point or touch point of the tactile sensor. This means in particular an arrangement at a distance of 0.5 to 30 mm, 0.5 to 20 mm, preferably 0.5 to 10 mm.
Der Magnetsensor kann eine Mehrzahl von Messelementen umfassen, wobei vorzugsweise wenigstens zwei der Messelemente zur Messung einer magnetischen Eigenschaft (zum Beispiel der Feldstärke) oder allgemein zur Vermessung des Magnetfelds in derselben Raumrichtung eingerichtet sind. Bei dem Messelement kann es sich um ein einzelnes Hall-Sensorelement handeln und/oder allgemein um ein Element, das eigenständige Messinformationen erzeugt. Liegt eine Mehrzahl von Messelementen zur Vermessung derselben magnetischen Eigenschaft und insbesondere in derselben Raumrichtung vor, kann aus den je Messeelement gewonnenen Messinformationen ein Gesamtmessergebnis ermittelt werden, beispielsweise per Mittelung der einzelnen Messinformationen. Das Gesamtmessergebnis kann die magnetische Eigenschaft in dieser Raumrichtung angeben bzw. beziffern.The magnetic sensor may comprise a plurality of measuring elements, wherein preferably at least two of the measuring elements are adapted for measuring a magnetic property (for example the field strength) or in general for measuring the magnetic field in the same spatial direction. The measuring element may be a single Hall sensor element and / or generally an independent element Measurement information generated. If there are a plurality of measuring elements for measuring the same magnetic property and in particular in the same spatial direction, a total measurement result can be determined from the measuring information obtained per measuring element, for example by averaging the individual measuring information. The total measurement result can indicate or quantify the magnetic property in this spatial direction.
In einer Variante liegen je Raumrichtungen (bzw. Achse) eines kartesischen Koordinatensystems wenigstens zwei Messelemente vor, die in dieser Raumrichtung das Magnetfeld vermessen. Anders ausgedrückt kann der Magnetsensor paarweise einander zugeordnete Messelemente für jede Raumrichtung des Koordinatensystems umfassen.In one variant, there are at least two measuring elements per spatial direction (or axis) of a Cartesian coordinate system, which measure the magnetic field in this spatial direction. In other words, the magnetic sensor may comprise pairs of associated measuring elements for each spatial direction of the coordinate system.
Wenigstens zwei vorzugsweise aber sämtliche der Messelemente können bevorzugt gleichartig beanstandet um bzw. zu einem virtuellen Mittelpunkt oder allg. einem Referenzpunkt positioniert sein. Aus den je Messelement ermittelten Messinformationen können dann die an diesem Mittelpunkt vorliegenden Messinformationen berechnet werden, beispielsweise per Mittelung. Bei dem Mittelpunkt kann es sich um einen Mittelpunkt eines taktilen Antastkörpers des Sensors handeln, beispielsweise von einer Antastkugel.At least two, but preferably all, of the measuring elements may preferably be objected to equally around or to a virtual center or generally a reference point. The measurement information present at this center point can then be calculated from the measurement information determined per measuring element, for example by averaging. The center may be a center of a tactile probe body of the sensor, for example a probing ball.
Ein einander zugeordnetes Paar von Messelementen kann zum Beispiel eine magnetische Eigenschaft (bspw. die Feldstärke) in einer ersten von drei orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen messen und diese Feldstärke kann gemittelt oder in Kenntnis der Abstände zum Mittelpunkt anderweitig geeignet verrechnet werden, um die an dem von den Messelementen zwischen sich eingeschlossenen virtuellen Mittelpunkt vorliegende magnetische Feldstärke (hierin allgemein auch lediglich als Feldstärke bezeichnet) zu bestimmen. Wird dies in mehreren Richtungen und insbesondere für jede der drei orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen mit entsprechend dafür vorgesehenen Messelementen durchgeführt, kann ein Vektor der vermessenen magnetischen Eigenschaft (insbesondere der Feldstärke) an dem Mittelpunkt bestimmt werden. Dieser kann die Richtung der Feldstärke aber auch einen Betrag hiervon angeben. Die Richtungen können durch die Achsen eines Magnetsensor-Koordinatensystems definiert sein. Es versteht sich, dass unter einer magnetischen Eigenschaft im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Eigenschaft des vermessenen Magnetfelds verstanden werden kann.For example, an associated pair of sensing elements may measure a magnetic characteristic (eg, the field strength) in a first of three orthogonal directions, and this field strength may be averaged or otherwise appropriately calculated with respect to the distances from the midpoint to match that at To determine the magnetic field strength (herein also generally referred to simply as field strength) between the virtual center enclosed by the measuring elements. If this is carried out in several directions and in particular for each of the three orthogonal directions with correspondingly provided measuring elements, a vector of the measured magnetic property (in particular of the field strength) at the center point can be determined. This can indicate the direction of the field strength but also an amount thereof. The directions may be defined by the axes of a magnetic sensor coordinate system. It is understood that a magnetic property in the context of the present disclosure can be understood as a property of the measured magnetic field.
Wenigstens zwei Messelemente können einen vorbestimmten Referenzpunkt des Sensors zwischen sich einschließen, zum Beispiel den vorstehend erläuterten virtuellen Mittelpunkt eines taktilen oder optischen Sensors.At least two sensing elements may include a predetermined reference point of the sensor between them, for example the above-discussed virtual center of a tactile or optical sensor.
In einer weiteren Ausführungsform weist der taktile Sensor einen Taststiftschaft und ein Tastelement (oder auch Antastkörper), insbesondere eine Tastkugel (oder auch Antastkugel), auf und der Magnetsensor ist in oder an dem Taststiftschaft angeordnet, oder der Magnetsensor ist in oder an dem Tastelement angeordnet, insbesondere befestigt. Das Tastelement ist beispielsweise am Ende des Taststiftschafts angebracht. Beispielsweise kann der Magnetsensor in einem Hohlraum innerhalb des Taststiftschafts angeordnet sein, vorzugsweise an dem Ende des Taststiftschafts, wo das Tastelement angeordnet ist, oder in einem Hohlraum innerhalb des Tastelements angeordnet sein. Im Taststiftschaft oder dem Tastelement kann demgemäß ein Hohlraum vorhanden sein, in dem der Magnetsensor angeordnet ist. Eine andere Möglichkeit ist die Anordnung an einer Außenseite des Taststiftschafts oder des Tastelements. Wenn der Magnetsensor im Tastelement angeordnet ist, können, wie vorstehend geschildert, Messelemente hiervon um einen Referenzpunkt und insbesondere einen Tastelement-Mittelpunkt angeordnet sein und diesen beispielsweise zwischen sich einschließen.In a further embodiment, the tactile sensor has a stylus shaft and a probe element (or else probe body), in particular a probe ball (or probing ball), and the magnetic sensor is arranged in or on the stylus shaft, or the magnetic sensor is arranged in or on the probe element , in particular fastened. The probe element is attached, for example, at the end of the Taststiftschafts. For example, the magnetic sensor may be disposed in a cavity within the stylus shaft, preferably at the end of the stylus shaft where the stylus element is disposed, or disposed in a cavity within the stylus element. In the Taststiftschaft or the probe element may thus be present a cavity in which the magnetic sensor is arranged. Another possibility is the arrangement on an outer side of the Taststiftschafts or the probe element. As described above, if the magnetic sensor is arranged in the feeler element, measuring elements thereof can be arranged around a reference point and in particular a feeler center point and enclose it, for example, between them.
In dem erfindungsgemäßen Sensorzusammenbau kann ein Magnetsensor jeglichen Messprinzips und jeglicher Bauart eingesetzt werden, wobei eine Vielzahl verschiedener Magnetsensoren bekannt ist. In einer speziellen Ausführungsform ist der Magnetsensor ein Hall-Sensor, insbesondere ein 3-dimensionaler oder 3-dimensional erfassender Hall-Sensor. Um eine derartige dreidimensionale Erfassungsfähigkeit bereitzustellen, kann eine vorstehend geschilderte Mehrzahl von Messelementen, die vorzugsweise jeweils in einer von drei orthogonal zueinander verlaufenden Raumrichtungen messen, vorgesehen sein. Ferner können paarweise einander zugeordnete Messelemente zur Vermessung in jeder von drei orthogonal zueinander verlaufenden Raumrichtungen vorgesehen sein. Die Messelemente können jeweils Hall-Messelemente sein und zum Beispiel eine Durchdringung von einem Magnetfeld sensorisch erfassen (d. h. wenn sie von einem Magnetfeld insbesondere senkrecht durchdrungen werden Messsignale erzeugen).In the sensor assembly according to the invention, a magnetic sensor of any measurement principle and any type can be used, wherein a plurality of different magnetic sensors is known. In a special embodiment, the magnetic sensor is a Hall sensor, in particular a 3-dimensional or 3-dimensionally detecting Hall sensor. In order to provide such a three-dimensional detection capability, a plurality of measuring elements described above, which preferably each measure in one of three mutually orthogonal spatial directions, may be provided. Furthermore, measuring elements assigned to one another in pairs may be provided for measurement in each of three mutually orthogonal spatial directions. The measuring elements can each be Hall-effect measuring elements and, for example, sensor-detect a penetration of a magnetic field (that is, if they are penetrated by a magnetic field, in particular perpendicularly generate measuring signals).
Der Magnetsensor kann jegliche bekannte äußere Form haben, wobei eine längliche, stabförmige oder zylindrische Form besonders günstig ist.The magnetic sensor may have any known external shape, with an elongated, rod-shaped or cylindrical shape being particularly favorable.
Der Magnetsensor kann in geeignetere Weise elektrisch kontaktiert sein. Der Sensorzusammenbau kann elektrische Kontakte, Leitungen und/oder elektronische Komponenten des Magnetsensors beinhalten.The magnetic sensor may be electrically contacted in a more suitable manner. The sensor assembly may include electrical contacts, leads and / or electronic components of the magnetic sensor.
Weiterhin wird von der Erfindung auch ein Koordinatenmessgerät angegeben, aufweisend einen Sensorzusammenbau wie vorangehend beschrieben. Die Bauart des Koordinatenmessgerätes ist nicht besonders beschränkt, wobei sich die Erfindung besonders gut für ein Koordinatenmessgerät in Portalbauweise oder Horizontalarm-Bauweise eignet.Furthermore, the invention also provides a coordinate measuring machine, comprising a sensor assembly as above described. The design of the coordinate measuring machine is not particularly limited, with the invention being particularly well suited for a gantry type coordinate measuring machine or horizontal arm type.
Ferner betrifft die Erfindung auch eine Anordnung zum Kalibrieren eines Sensorzusammenbaus mit einem Sensorzusammenbau nach einem der vorangehenden Aspekte und einem Kalibriernormal, das dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld mit definierten Eigenschaften zu erzeugen. Unter den definierten Eigenschaften können dabei gleichbleibende, bekannte und/oder zuverlässig vermessbare Eigenschaften verstanden werden, insbesondere hinsichtlich der (örtlich) erzeugten Flussdichte oder Feldstärke. Vorzugsweise ist das Kalibriernormal dazu eingerichtet, ein zumindest bereichsweise homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Das Kalibriernormal kann ein Permanentmagnetmaterial und/oder einen Elektromagneten umfassen.Furthermore, the invention also relates to an arrangement for calibrating a sensor assembly with a sensor assembly according to one of the preceding aspects and a calibration standard, which is adapted to generate a magnetic field with defined properties. The defined properties can be understood to be consistent, known and / or reliably measurable properties, in particular with regard to the (locally) generated flux density or field strength. Preferably, the calibration standard is set up to generate an at least partially homogeneous magnetic field. The calibration standard may include a permanent magnet material and / or an electromagnet.
In einer Ausführungsform ist das Kalibriernormal zumindest teilweise kugelförmig ausgebildet (zum Beispiel als Viertel-, Halb- oder Vollkugel) und umfasst vorzugsweise ein Permanentmagnetmaterial. Allgemein wird bevorzugt, dass das Kalibriernormal sowohl für eine optische, taktile als auch magnetische Kalibrierung eigerichtet ist, was z.B. durch die vorstehende Ausbildung erzielbar ist. Ferner können hierdurch bevorzugte magnetische Eigenschaften erzielt werden, da das hiervon erzeugte Magnetfeld bzw. dessen Feldlinien in einem Ein- bzw. Austrittsbereich in bzw. aus der Kugel stets senkrecht auf der Kugeloberfläche stehen.In one embodiment, the calibration standard is at least partially spherical (for example as a quarter, half or full sphere) and preferably comprises a permanent magnet material. Generally, it is preferred that the calibration standard be adapted for both optical, tactile and magnetic calibration, e.g. achievable by the above training. Furthermore, as a result, preferred magnetic properties can be achieved, since the magnetic field generated therefrom or its field lines are always perpendicular to the sphere surface in an entry or exit region into or out of the sphere.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kalibriernormal wenigstens eine Spule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, insbesondere als Bestandteil einer sogenannten Helmholtz-Spule (also als Bestandteil eines Paars von konzentrisch und beanstandet zueinander positionierten Spulen). Hierdurch kann ein bereichsweise homogenes Magnetfeld erzeugt werden, in das der Magnetsensor zur Kalibrierung unter verschiedenen Raumrichtungen hinein bewegt werden kann, um dabei Ist-Signale zu ermitteln und mit durch das homogene Magnetfeld erzeugten Soll-Signalen zu vergleichen.In a further embodiment, the calibration standard comprises at least one coil for generating a magnetic field, in particular as part of a so-called Helmholtz coil (that is to say as part of a pair of coils positioned concentrically and objecting to one another). As a result, a region-wise homogeneous magnetic field can be generated, into which the magnetic sensor can be moved for calibration under different spatial directions, in order to determine actual signals and compare them with desired signals generated by the homogeneous magnetic field.
Die Spulen (oder auch allgemein das Kalibriernormal) können auch taktil oder optisch vermessen werden, um auf die Lage bzw. Ausrichtung des erzeugten Magnetfelds schließen zu können. Hierfür kann der taktile oder optische Sensor verwendet werden, vorzugsweise wenn dieser bereits kalibriert wurde.The coils (or also generally the calibration standard) can also be measured tactually or optically in order to be able to infer the position or orientation of the generated magnetic field. For this purpose, the tactile or optical sensor can be used, preferably if this has already been calibrated.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine sogenannte Vergleichsmagnet-Anordnung als Kalibriernormal vorgesehen. Diese an sich bekannte Anordnung umfasst einander gegenüberliegende Magnete, die zwischen sich ein homogenes Magnetfeld erzeugen.In a further embodiment, a so-called comparison magnet arrangement is provided as calibration standard. This known per se arrangement comprises opposing magnets which generate a homogeneous magnetic field between them.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen von magnetischen Eigenschaften eines Werkstücks, wobei bei dem Verfahren ein Sensorzusammenbau wie vorangehend beschrieben eingesetzt wird, und das Verfahren die Schritte aufweist:
- - Vermessen von magnetischen Eigenschaften des Werkstücks mit dem Magnetsensor des Sensorzusammenbaus.
- - Measuring magnetic properties of the workpiece with the magnetic sensor of the sensor assembly.
Die magnetischen Eigenschaften sind insbesondere magnetische Feldstärken, insbesondere in einem an dem Werkstück vorhandenen Magnetfeld. Das Magnetfeld kann ein permanentes Magnetfeld oder ein nicht permanentes Magnetfeld sein, beispielsweise eines, das durch elektrischen Stromfluss in dem Werkstück erzeugt wird.The magnetic properties are in particular magnetic field strengths, in particular in a magnetic field present on the workpiece. The magnetic field may be a permanent magnetic field or a non-permanent magnetic field, such as one generated by electrical current flow in the workpiece.
Das Verfahren kann weiterhin folgenden Schritt aufweisen:
- - Vermessen von Koordinaten des Werkstücks mit dem optischen Sensor oder dem taktilen Sensor des Sensorzusammenbaus.
- - Measuring coordinates of the workpiece with the optical sensor or the tactile sensor of the sensor assembly.
In dieser Variante können eine dimensionelle Messung und eine Messung magnetischer Eigenschaften kombiniert werden.In this variant, a dimensional measurement and a measurement of magnetic properties can be combined.
Das Werkstück ist insbesondere ein Elektromotor oder ein Teil eines Elektromotors. Ein Teil eines Elektromotors ist beispielsweise ein Gehäuse, ein Stator, ein Rotor oder eine Wicklung, die an einem der voran genannten Teile vorgesehen sein kann.The workpiece is in particular an electric motor or a part of an electric motor. A part of an electric motor is, for example, a housing, a stator, a rotor or a winding, which may be provided on one of the aforementioned parts.
In einer Variante des Verfahrens wird bei der Messung das Teil des Elektromotors bewegt, um ein sich bewegendes Magnetfeld zu erzeugen. Dies ist insbesondere bei Teilen vorgesehen, die ein permanentes Magnetfeld erzeugen. Bei dieser Variante der Messung kann der Magnetsensor ortsfest bleiben und das Teil bewegt werden, wobei das Magnetfeld bewegt wird und Messungen an dem Magnetfeld erfolgen können. Insbesondere kann ein magnetischer Rotor bei der Messung rotiert werden und das Rotor-Magnetfeld kann vermessen werden. In einer Variante kann ein Hilfsmagnetfeld oder Störmagnetfeld eingesetzt werden, beispielsweise durch einen weiterhin bei der Messung neben dem Teil des Elektromotors vorhandenen Permanentmagneten oder Elektromagneten, der an sich kein Teil des Elektromotors ist. Das Störmagnetfeld steht in einer Beziehung zu dem sich bewegenden Magnetfeld kann hilfsweise zur Vermessung der magnetischen Eigenschaften dienen, wie in einem Beispiel nachfolgend noch beschrieben.In a variant of the method, the measurement of the part of the electric motor is moved in order to generate a moving magnetic field. This is especially provided for parts that generate a permanent magnetic field. In this variant of the measurement, the magnetic sensor can remain stationary and the part can be moved, wherein the magnetic field is moved and measurements on the magnetic field can take place. In particular, a magnetic rotor can be rotated during the measurement and the rotor magnetic field can be measured. In a variant, an auxiliary magnetic field or interference magnetic field can be used, for example, by a permanent magnet or electromagnet which is additionally present in the measurement next to the part of the electric motor and which is not part of the electric motor per se. The disturbance magnetic field is in a relationship to the moving magnetic field may serve to measure the magnetic properties, as described in an example below.
In einer weiteren Variante des Verfahrens wird bei der Messung das Werkstück, insbesondere ein Teil des Elektromotors, mit elektrischem Strom beaufschlagt, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Drahtwicklung oder Spule, die einen Teil des Status des Elektromotors sein kann, mit Strom beaufschlagt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Insbesondere kann eine Wicklung, wie eine Kupferdrahtwicklung, mit Strom beaufschlagt werden. Es kann durch die unregelmäßige Beschaffenheit der Wicklung/Spule der Stromfluss nicht so sein wie erwünscht. Es wird daher ein Stromfluss in der Wicklung/Spule erzeugt, der beispielsweise einem Stromfluss im Betrieb des Elektromotors entspricht, und es wird geprüft, ob das durch diesen Strom erzeugte Magnetfeld auf Seiten der Wicklung/Spule wunschgemäß ausgebildet ist. Entsprechend können Maßnahmen ergriffen werden, um die Wicklung/Spule zu verbessern. In a further variant of the method, during the measurement, the workpiece, in particular a part of the electric motor, is subjected to electric current in order to generate a magnetic field. For example, current may be applied to a wire coil or coil, which may be part of the status of the electric motor, to generate a magnetic field. In particular, a winding, such as a copper wire winding, be energized. Due to the irregular nature of the winding / coil, the current flow can not be as desired. Therefore, a current flow is generated in the winding / coil, which corresponds for example to a current flow during operation of the electric motor, and it is checked whether the magnetic field generated by this current is formed as desired on the winding / coil side. Accordingly, measures can be taken to improve the winding / coil.
In noch einer Variante des Verfahrens wird mit dem Magnetsensor ein Übergang von ferromagnetischem Material zu nicht ferromagnetischem Material an dem Werkstück ermittelt. Das ferromagnetische Material kann zuvor magnetisiert worden sein, und entsprechend ein Magnetfeld erzeugen, und das nicht ferromagnetische Material weist kein oder ein schwächeres Magnetfeld auf, wobei das oder die Magnetfelder von dem Magnetsensor erfasst wird.In yet another variant of the method, a transition from ferromagnetic material to non-ferromagnetic material on the workpiece is determined with the magnetic sensor. The ferromagnetic material may have previously been magnetized and correspondingly generate a magnetic field, and the non-ferromagnetic material has no or a weaker magnetic field, wherein the magnetic field (s) is detected by the magnetic sensor.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorzusammenbaus, wobei der Sensorzusammenbau nach einem der vorangehenden Aspekte ausgebildet ist und das Verfahren den Schritt aufweist:
- - Vermessen von magnetischen Eigenschaften eines Kalibriernormals mit dem Magnetsensor des Sensorzusammenbaus.
- - Measuring magnetic properties of a calibration standard with the magnetic sensor of the sensor assembly.
Bei dem Kalibriernormal kann es sich um ein Kalibriernormal gemäß jeglichem der vorstehenden Beispiele handeln, also z.B. um ein Kalibriernormal der vorstehend erläuterten Anordnung. Die magnetischen Eigenschaften können ein von dem Kalibriernormal erzeugtes Magnetfeld betreffen und der Magnetsensor kann relativ zu dem Kalibriernormal positioniert und/oder bewegt werden, um diese Eigenschaften zu erfassen. Die ermittelten Messsignale oder Messwerte können zum Beispiel gemeinsam mit dazugehörigen Positionsinformationen des Magnetsensors abgespeichert werden, die beispielsweise aus Achsstellungen des Koordinatenmessgeräts (KMG) oder durch mit dem vorzugsweise kalibrierten optischen oder taktilen Sensor durchgeführten Antastungen des Kalibriernormals ermittelt werden können. Somit kann bestimmt werden, in welchen Positionen welche lokalen magnetischen Eigenschaften (insbesondere ein Feldstärkevektor) mit dem Magnetsensor ermittelt werden und dies kann zwecks Kalibrierung mit an diesen Positionen erwarteten Soll-Eigenschaften verglichen werden.The calibration standard may be a calibration standard according to any of the above examples, e.g. to a calibration standard of the above-explained arrangement. The magnetic properties may relate to a magnetic field generated by the calibration standard, and the magnetic sensor may be positioned and / or moved relative to the calibration standard to detect these characteristics. The determined measurement signals or measured values can be stored, for example, together with associated position information of the magnetic sensor, which can be determined, for example, from axis positions of the coordinate measuring machine (CMM) or by probing the calibration standard carried out with the preferably calibrated optical or tactile sensor. Thus, it can be determined in which positions which local magnetic properties (in particular a field strength vector) are determined with the magnetic sensor and this can be compared with the target properties expected at these positions for the purpose of calibration.
Im Rahmen der Kalibrierung kann allgemein ein Zusammenhang zwischen den vom Sensor erfassten (Ist-) Werten und tatsächlich erwarteten (Soll-) Werten ermittelt werden und können zum Beispiel aus einem Vergleich hiervon Kalibrierparameter bestimmt werden, damit zukünftige erfasste (Ist-) Werte und tatsächlich erwartete (Soll-) Werte übereinstimmen bzw. die (Ist-) Werte in (Soll-) Werte entsprechend transformierbar sind.In the context of the calibration, a relationship between the (actual) values actually acquired by the sensor and actually expected (desired) values can generally be determined and can be determined, for example, from a comparison of calibration parameters so that future acquired (actual) values and actually expected (setpoint) values match or the (actual) values can be transformed accordingly into (setpoint) values.
Dies kann beispielsweise eine Transformation eines Magnetsensor-Koordinatensystems in ein Gerätekoordinatensystem umfassen, beispielsweise mittels einer im Rahmen der Kalibrierung ermittelten Transformationsmatrix. Die Messeelemente des Magnetsensors können bei bestimmten Ausführungsformen vor allem dann aussagekräftige Signale liefern, wenn sie in einer bestimmten Weise relativ zu einem Magnetfeld angeordnet sind (z.B. senkrecht von den Feldlinien durchdrungen werden). Zum Erzielen einer gewünschten Genauigkeit ist es allgemein bevorzugt, eine Lage der Messelemente, welche über das Magnetsensor-Koordinatensystem festgelegt ist, zu ermitteln, sodass deren Messwerte zum Beispiel in ein Gerätekoordinatensystem transformierbar sind.This can include, for example, a transformation of a magnetic sensor coordinate system into a device coordinate system, for example by means of a transformation matrix determined as part of the calibration. The sensing elements of the magnetic sensor may, in certain embodiments, provide meaningful signals above all if they are arranged in a particular manner relative to a magnetic field (e.g., penetrated perpendicularly by the field lines). In order to achieve a desired accuracy, it is generally preferred to determine a position of the measuring elements, which is determined via the magnetic sensor coordinate system, so that their measured values can be transformed, for example, into a device coordinate system.
Zusätzlich oder alternativ kann im Rahmen der Kalibrierung wenigstens eine der folgenden Eigenschaften bestimmt werden: ein Ursprung des Magnetsensor-Koordinatensystems, rechtwinklige Abweichungen von, wie oben beschrieben, paarweise einander zugeordneten Messelementen des Magnetsensors, eine Messsensitivität bzw. Kennlinie des Magnetsensors und/oder von dessen einzelnen Messelementen.Additionally or alternatively, at least one of the following properties may be determined during the calibration: an origin of the magnetic sensor coordinate system, rectangular deviations of paired sensing elements of the magnetic sensor as described above, a measurement sensitivity of the magnetic sensor, and / or of the same individual measuring elements.
In einer Variante kann mit dem Magnetsensor das Magnetfeld derart vermessen werden, dass eine Form bzw. räumliche Erstreckung des Magnetfelds (in der Regel ein Toroid) bestimmbar ist. Dies kann dann mit einer Soll-Form bzw.-Erstreckung verglichen werden. Hierfür kann das Magnetfeld an einer zur mathematischen Bestimmung der erwarteten geometrischen Form erforderlichen Mindestanzahl von Positionen vermessen werden (z.B. sieben beim Toroid). Allgemein ist aber auch eine scannende Vermessung mit dem Magnetsensor möglich, bei der dieser im Rahmen einer kontinuierlichen (d. h. unterbrechungsfreien) Bewegung fortlaufend Messwerte erfasst.In a variant, the magnetic field can be used to measure the magnetic field such that a shape or spatial extension of the magnetic field (usually a toroid) can be determined. This can then be compared with a desired shape or extent. For this, the magnetic field can be measured at a minimum number of positions required for mathematically determining the expected geometric shape (e.g., seven in the toroid). In general, however, it is also possible to carry out a scanning measurement with the magnetic sensor, in which the latter continuously records measured values as part of a continuous (that is to say interruption-free) movement.
Das Verfahren kann ferner ein Vermessen des Kalibriernormals durch (optisches und taktiles) Antasten mit dem Sensor umfassen, wobei darauf basierend der Sensor kalibriert und/oder auf magnetische Eigenschaften des Kalibriernormals geschlossen wird. Im ersten Fall können Zeit und Kosten gespart werden, da ein und dasselbe Kalibriernormal für eine Kalibrierung beider Sensorkomponenten des Sensorzusammenbaus verwendet werden kann. Im zweiten Fall können Sollwerte des erzeugten Magnetfelds ermittelt bzw. kann auf diese geschlossen werden. Hierfür kann beispielsweise mit dem taktilen oder optischen Sensor eine Position und/oder Lage des Kalibriernormals bestimmt werden, beispielsweise von einzelnen Spulen einer Helmholtzspule. Ist diese bekannt, kann eine erwartete Lage und/oder Ausrichtung des erzeugten Magnetfelds (bzw. ein räumlicher Verlauf von dessen Feldlinien) bestimmt werden und können daraus Sollwerte zum Vergleich mit den tatsächlichen Messwerten des Magnetsensors an bestimmten Positionen im Raum abgeleitet werden. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass der antastende Sensor bereits kalibriert ist.The method may further comprise measuring the calibration standard by (optical and tactile) probing with the sensor, based thereon calibrating the sensor and / or inferring magnetic properties of the calibration standard. In the first case, time and costs can be saved because one and the same calibration standard can be used for a calibration of both sensor components of the sensor assembly. In the second case, nominal values of the generated magnetic field can be determined or can be closed to them. For this purpose, for example with the tactile or optical sensor, a position and / or position of the calibration standard can be determined, for example, by individual coils of a Helmholtz coil. If this is known, an expected position and / or orientation of the generated magnetic field (or a spatial progression of its field lines) can be determined and from this, desired values can be derived for comparison with the actual measured values of the magnetic sensor at specific positions in space. In this context, it is preferred that the probing sensor is already calibrated.
Zum Bestimmen der Stärke des von dem Kalibriernormal erzeugten Magnetfelds können die hierin offenbarte Anordnung sowie das Kalibrierverfahren einen zusätzlichen, von dem Sensorzusammenbau unabhängigen und vorzugsweise ortsfest relativ zum Kalibriernormal angeordneten Referenzsensor vorsehen. Dieser kann die Stärke des Magnetfelds z.B. als Betrag der Feldstärke oder eine vergleichbare und zum Beispiel hiervon abhängige Größe messen, vorzugsweise in einem homogenen Bereich des erzeugten Magnetfeldes. Auch der Magnetsensor kann dazu eingerichtet sein, Messsignale bezüglich der Stärke (zum Beispiel des Betrags der Feldstärke) des Magnetfelds zu erzeugen. Diese können daraufhin mit den Referenzsensor-Messwerten verglichen werden, wobei Letztere Soll-Werte darstellen.In order to determine the strength of the magnetic field generated by the calibration standard, the arrangement disclosed here and the calibration method can provide an additional reference sensor which is independent of the sensor assembly and preferably arranged in a stationary manner relative to the calibration standard. This can determine the strength of the magnetic field e.g. measure as an amount of field strength or a comparable and, for example, dependent size, preferably in a homogeneous region of the generated magnetic field. The magnetic sensor may also be configured to generate measurement signals relating to the strength (for example, the magnitude of the field strength) of the magnetic field. These can then be compared with the reference sensor readings, the latter representing desired values.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann unter einem Antasten allgemein ein optisches oder taktiles Antasten verstanden werden und impliziert nicht zwingend einen physischen Kontakt, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.In the context of the present disclosure, a probing may generally be understood as an optical or tactile probing and does not necessarily imply physical contact unless otherwise indicated or apparent.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
-
1 : einen erfindungsgemäßen Sensorzusammenbau; -
2 : eine erste Variante der Anordnung eines Magnetsensors; -
3 : eine weitere Variante der Anordnung eines Magnetsensors; -
4 : eine Messanordnung zur Vermessung eines Rotors eines Elektromotors mit dem erfindungsgemäßen Sensorzusammenbau; -
5a-d : einen Messablauf zur Vermessung eines Rotors eines Elektromotors mit dem erfindungsgemäßen Sensorzusammenbau; -
6 : den Aufbau eines zu vermessenen Rotors eines Elektromotors; -
7 : einen Zusammenbau zwischen Rotor und Stator bei einem Elektromotor; -
8 : den Stator eines Asynchronmotors; -
9a-b : das Prinzip der Einbringung von Wicklungen in einem Stator eines Elektromotors; -
10 : Stator eines Elektromotors mit verschiedenen Wicklungen in verschiedener Lage; -
11 : eine Koordinatenmessung an einem Stator; -
12 : einen Rotor mit Kupferkurzschlussläufern; -
13 : eine Detailansicht des Rotors aus12 ; -
14 : ein KMG mit erfindungsgemäßem Sensorzusammenbau; -
15 : eine Teildarstellung eines Sensorzusammenbaus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; -
16 : ein Kalibriernormal einer erfindungsgemäßen Anordnung; -
17 : ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein Kalibriernormal.
-
1 a sensor assembly according to the invention; -
2 a first variant of the arrangement of a magnetic sensor; -
3 a further variant of the arrangement of a magnetic sensor; -
4 a measuring arrangement for measuring a rotor of an electric motor with the sensor assembly according to the invention; -
5a-d a measurement sequence for measuring a rotor of an electric motor with the sensor assembly according to the invention; -
6 : the structure of a rotor to be measured of an electric motor; -
7 : an assembly between rotor and stator in an electric motor; -
8th : the stator of an asynchronous motor; -
9a-b : the principle of introducing windings in a stator of an electric motor; -
10 : Stator of an electric motor with different windings in different position; -
11 a coordinate measurement on a stator; -
12 a rotor with copper short-circuit rotors; -
13 : a detailed view of therotor 12 ; -
14 a CMM with inventive sensor assembly; -
15 a partial representation of a sensor assembly according to another embodiment; -
16 a calibration standard of an arrangement according to the invention; -
17 an alternative embodiment for a calibration standard.
KMGs mit VAST®, VAST XT® und VAST XTR® Messköpfen von Zeiss zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch den kardanischen Aufbau des Tastkopfes sehr lange Taststiftschafte
Der Sensorzusammenbau
Die Kommunikation zwischen der KMG-Steuerung und der Ansteuer- und Auswerteelektronik des 3D-Magnetfeldsensors 13 erfolgt über ein hier nicht näher dargestelltes Leitungssystem zur Signal- oder Datenübertragung. Beispielsweise sind leitende Verbindungen zur Informationsübertragung und ein Aufbau verwendbar, wie in
Um die durch die hohe Punkterate großen Datenmengen bestehend aus den 3D Magnetfeldstärken zu den Abtastzeitpunkten besser übertragen zu können, können diese komprimiert und in die Zeiten der Umfahrwege des Werkstücks des KMG gelegt werden. Dazu kann in der Auswerteelektronik des Magnetfeldsensors
Nachfolgende Fig. zeigen Beispiele für die gesonderte oder auch gleichzeitige Messung von mechanischen Größen und magnetischen Eigenschaften sowie die Kombination der Ergebnisse im Sinne eines erfindungsgemäßen Verfahrens.The following figures show examples for the separate or simultaneous measurement of mechanical parameters and magnetic properties as well as the combination of the results in the sense of a method according to the invention.
Neben dem Rotor
An dem Schnittbild der
Es versteht sich, dass erfindungsgemäß auch andere Rotortypen mit der hierin vorgestellten Lösung magnetisch und hinsichtlich ihrer Dimensionen/Positionierung vermessbar sind, z. B. Rotoren mit Permanentmagneten. Auch im Stator angeordnete Permanentmagneten können entsprechend vermessen werden.It is understood that according to the invention, other rotor types with the solution presented herein are magnetic and in terms of their dimensions / positioning vermessbar, z. B. rotors with permanent magnets. Also arranged in the stator Permanent magnets can be measured accordingly.
In
In
In
In
Eine weitere Anwendung eines Taststiftes
Das in
An den Messkopf
Der Messkopf
In
Jedes Messelement
Aus den von einem Messelemente-Paar gemessenen Feldstärken kann dann ein Mittelwert gebildet werden, um die Feldstärke am Kugelmittelpunkt
Auf diese Weise kann entlang jeder Achse des Koordinatensystems
Im gezeigten Fall ist der Sensorzusammenbau
Im Folgenden werden Möglichkeiten zum Kalibrieren des Sensorzusammenbaus
Ein Bedarf für ein Kalibrieren kann daraus resultieren, dass beispielsweise der Schaft
Ferner ist es im Rahmen der Kalibrierung möglich, eine Relativanordnung von Magnetsensor
Das Kalibriernormal
Der Verlauf des Magnetfelds kann aufgrund der kugelförmigen Ausbildung des Kalibriernormals
Insbesondere kann das Kalibriernormal
Insbesondere kann hierbei die Position einer den Kugelmittelpunkt
Dies ist zum Beispiel deshalb vorteilhaft, da die Messelemente
Soll auch die Stärke und nicht nur lediglich die Richtung des erzeugten Magnetfeldes mit dem Magnetsensor
In
Erneut kann vorgesehen sein, die erwartete Ausrichtung bzw. den Verlauf des Magnetfeldes durch optisches oder taktiles Vermessen der Spulen
Eine weitere, nicht gesondert dargestellte Variante betrifft ein Kalibriernormal in Form eines Vergleichsmagneten, der ein homogenes Magnetfeld zwischen zwei einander gegenüberliegenden Magneten erzeugt und in das der Magnetsensor
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensorzusammenbausensor assembly
- 22
- taktiler Sensortactile sensor
- 33
- TaststiftschaftTaststiftschaft
- 44
- Tastkugelprobe ball
- 55
- Taststifthalterstylus holder
- 66
- Befestigungswürfelmounting cube
- 77
- Verlängerungrenewal
- 88th
- Kopplungselementcoupling element
- 99
- Lagerzylinderbearing cylinder
- 1010
- Elektronikboxelectronics box
- 1111
- Steckerplug
- 1212
- flexible Leiterplatteflexible circuit board
- 1313
- Magnetsensor/HallsensorMagnetic Sensor / Hall Sensor
- 1414
- Hohlraumcavity
- 1515
- Rotorrotor
- 1616
- Magnetblechmagnetic sheet
- 1717
- Polpole
- 1818
- Lückegap
- 1919
- Hilfsmagnetauxiliary magnet
- 2020
- Wellewave
- 2121
- PassfederAdjusting spring
- 2222
- Nutgroove
- 2323
- Statorstator
- 2424
- Gehäusecasing
- 2525
- Statorstator
- 2626
- Stator-RückenStator back
- 2727
- Kupferwicklungencopper windings
- 2828
- Rotorrotor
- 2929
- KurzschlussringShorting ring
- 3030
- KurzschlussstäbeShorting bars
- 3131
- Rotorwellerotor shaft
- 3232
- Luftspaltair gap
- 33'33 '
- teilweise fertig gestellte Wicklungpartially finished winding
- 3333
- vollständige Wicklungcomplete winding
- 3434
- Statorstator
- 3535
- Wicklungwinding
- 3636
- Wicklungwinding
- 3737
- Wicklungwinding
- 3838
- Statorstator
- 3939
- Lückegap
- 4040
- Rotorrotor
- 4141
- Rotorblechrotor sheet
- 4242
- Eiseniron
- 4343
- Kupfercopper
- 4444
- Kupferliniecopper line
- 4545
- Elektromotorelectric motor
- 102102
- Messelementmeasuring element
- 104104
- (Magnetsensor-) Koordinatensystem(Magnetic sensor) coordinate system
- 110110
- Kalibriernormalcalibration standard
- 112112
- Ebenelevel
- 120120
- SpuleKitchen sink
- 124124
- Referenzsensorreference sensor
- LL
- Längsachselongitudinal axis
- 201201
- Messtischmeasuring table
- 202202
- Säulepillar
- 203203
- Säulepillar
- 204204
- Querträgercrossbeam
- 205205
- Drehvorrichtungrotator
- 206206
- Maßstabsteilungscale graduation
- 207207
- Querschlittencross slide
- 208208
- PinolePinole
- 209209
- Messkopfprobe
- 210210
- Montageeinrichtungmounter
- 211211
- Koordinatenmessgerätcoordinate measuring machine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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