DE19719921C2 - Anordnung zur Erfassung des Drehmomentes an einer Welle mit einem Messflansch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung des Drehmomentes an einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Anordnungen sind bereits bekannt und werden zur Erfassung des Drehmoments an rotierenden Wellen eingesetzt. Übliche Lösungen mit Schleifringen werden wegen der nicht dauerfesten und störungsbehafteten Übertragung zunehmend durch berührungslose Übertragungsysteme ersetzt. Berührungslose Übertragungssysteme für Drehmomentmessnaben werden heute z. B. nach dem Patent DE-A1-39 22 556 bereits realisiert. Sie bestehen aus einem rotierenden Messkörper mit Rotorelektronik und einem Signalaufnehmer (Pick UP) mit nachgeschalteter Auswerteeinheit.

Aufgrund der begrenzten Signaldynamik von elektronischen Verstärkern wird die Messauflösung und die Messgenauigkeit entscheidend von der richtigen Wahl des Messbereiches bestimmt. Der Messkörper mit einer Messbrücke aus Dehnungsmessstreifen (DMS-Messbrücke) lässt weitaus höhere Auflösungen zu. Des weiteren gibt es bei der Produktion der Messaufnehmer erhebliche Streuungen in Nullpunkt und Messempfindlichkeit sowie Linearitätsabweichungen und temperaturabhängige Abweichungen. Da man im allgemeinen einen präzisen normierten Ausgangswert wünscht, muss jeder Messaufnehmer individuell abgeglichen werden bzw. über eine Korrekturkennlinie linearisiert werden. Der Messbereich wird über ein Widerstandnetzwerke festgelegt. Der Nullpunktsabgleich wird ebenfalls durch Widerstandsnetzwerke bestimmt. Die Linearitätsfehler können über ein aussteuerabhängiges Netzwerk korrigiert werden.

Nach dem Stand der Technik wird heute der Abgleich über Trimmpotentiometer auf der stationären Seite durchgeführt und in der Regel auf die Linearisierung aus Kosten- und Komplexitätsgründen verzichtet. Die Linearisierung kann klassischer Weise stationärseitig mit Diodennetzwerken durchgeführt werden.

Bei Systemen mit trennbaren bzw. auswechselbaren Messkörpern muss beim Tausch das stationäre Auswerteteil abgeglichen werden oder die Komponenten können nur pärchenweise eingesetzt werden. Dies ist besonders nachteilhaft. Möchte man diesen Nachteil vermeiden, muss jede Rotorelektronik individuell abgeglichen werden. Trimmpotentiometer auf dem rotierenden Messkörper scheiden wegen der hohen mechanischen Belastung aus.

Derartige Anordnungen haben folgende Nachteile: Der Messbereich, der Nullpunktsabgleich, Temperaturabgleich und der Linearitätsabgleich der rotierenden Messnabe mit Rotorelektronik kann nur durch Löten oder Widerstandsveränderung vorgenommen werden. Üblicherweise ist die Rotorelektronik im Messflanschzentrum montiert und schwer zugänglich. Eine Kalibrierung oder Anpassung der Messnabe auf einen bestimmten Ausgangssignalwert kann nur durch Ausbau des Messflansches und durch Änderung des Widerstandsnetzwerkes bzw. Diodennetzwerkes mittels manuellen Eingriffs erfolgen.

Ein wesentlicher Vorteil der berührungslosen Übertragung gegenüber Schleifringsystemen ist die mechanische Auswechselbarkeit der rotierenden Messnabe ohne Tausch der stationären Elemente. Um diesen Tausch ohne nachträgliche Kalibrierung zu ermöglichen, müssen jedoch an der berührungslosen Übertragungsstrecke normierte Signale ausgetauscht werden, dass heißt, die Messnabe mit Rotorelektronik muss in sich kalibriert sein. Ein derartiger Abgleich auf Normwerte ist nicht nur schwierig, sondern auch kostspielig.

Des Weiteren gibt es bei der Montage von Messnaben durch Verspannen der Flansche Nullpunktsablagen. In der Regel ist die Rotorseite durch den Einbau in ein Gehäuse nach der Montage nicht mehr zugänglich. Ein Abgleich des Rotors scheidet somit aus. Entstehende Nullpunktsablagen können nur mittels eines mit einem Trimmpotentiometer am einstellbaren Verstärker auf der stationären Seite korrigiert werden.

Aus der DE 185 02 616 A1 ist es bekannt, die gesamte Messelektronik mitsamt einem Mikroprozessor auf der Welle vorzusehen. Hierbei sind jedoch ähnliche Probleme gegeben, da eine Neukalibrierung nur durch umfangreiche Arbeiten erfolgen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Verstärkung und den Nullpunkt in der Rotorelektronik einfacher zu gestalten, und zwar auch dann, wenn der Rotor völlig von einem Gehäuse umgeben ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung können somit sowohl die Rotorelektronik als auch insbesondere der Messverstärker ferngesteuert einstellbar bzw. programmiert werden. Sie können ferngesteuert mit hoher Auflösung (min. 8 Bit) von der stationären Seite aus einstellbar gestaltet werden, wodurch Nullpunkt und Verstärkung optimal eingestellt werden können und eventuelle Linearitätskorrekturen oder Temperaturdriftkorrekturen durchgeführt werden können. Dabei kann der Rotor völlig von einem Gehäuse umgeben sein.

Lagerlose Drehmomentmesseinrichtungen mit berührungsloser Übertragung gewinnen zunehmend an Interesse. Entscheidend ist hierbei die große Geometrietoleranz von bis zu 20 mm zwischen Messnabe und stationärer Pick UP und der Wegfall von aufwendigen Bogenzahnkupplungen. Größere Montagetoleranzen sparen Kosten und lassen den Einsatz von Messflanschen an Gelenkwellen zu.

Durch die gemäß der Erfindung ferngesteuert einstellbare Rotorelektronik mit dem programmierbaren Messverstärker zur Einstellung von Verstärkung und Nullpunkt mit hoher Einstellauflösung eröffnet sich die Möglichkeit der vollständigen Kapselung von DMS-Aufnehmern, Rotorelektronik und Sender/Empfängerschnittstelle. Damit sind Anwendungen unter extremsten Umweltbedingungen möglich. Der rotierende Messaufnehmer kann komplett fertig gestellt werden und nachträglich kalibriert werden. Damit entfallen Fertigungsschritte und Kosten. Auch notwendige Nachkalibrationen im Rahmen von ISO 9000 sind ohne mechanischen Eingriff an der Drehmomentmesseinrichtung ausführbar. Die Ausgangssignale der Messnaben können normiert werden und können im Prüfstandsbereich ausgetauscht werden.

Zunehmend werden Serienteile von Maschinen zu Drehmomentsensoren modifiziert. Zu diesem Zweck werden häufig Kupplungsteile mit DMS-Messbrücken beklebt und mit berührungsloser Übertragungstechnik ausgestattet. Aufgrund großer Serientoleranzen und der nichtidealen Werkstoffeigenschaften ist ein Abgleich für jeden Sensor (Messflansch) notwendig. So kann z. B. die Messgenauigkeit durch eine Kennlinienkorrektur (Linearität und Hysterese) erheblich verbessert werden. Durch die ferngesteuert programmierbare Rotorelektronik (12) kann das Übertragungssignal von jedem Messflansch im Rahmen der Kalibrierung normiert werden und eventuell die Messflanschgenauigkeit verbessert werden, was sowohl logistische und servicetechnische Vorteile bringt. Die Kalibration kann auch nach Einbau in die Maschine erfolgen, da ein nachträglicher Eingriff am Messflansch entfällt. Damit können sogar im Messwert enthaltene störende Reibmomente von Lagern, Verspannmomente etc. eliminiert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden in der Messnabe auch ein Identifikationscode sowie sonstige Betriebsdaten abgespeichert. Diese können von der stationären Elektronik ausgelesen werden und an einen übergeordneten Leitrechner übergeben werden. Damit ist auch eine Verwechselungsgefahr von Messnaben ausgeschlossen. Inbesondere in der Montageschrauberindustrie (Serie) ist die Austauschbarkeit von Messflanschen (Rotoren) - sprich einfache Logistik - von enormer Bedeutung. Dort sind sehr kleine Baugrößen gefordert. Ein Widerstandnetzwerkabgleich ist aufgrund fehlender Lötflächen äußerst problematisch bzw. in vielen Fällen nicht möglich. Ein weiterer Vorteil ist die Integrierbarkeit von programmierbaren Verstärkern in monolithischen Schaltkreisen. Dadurch kann die Rotorelektronik samt Abgleich in Miniaturschaltkreisen aufgebaut werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.

Die Erfindung wird an Hand folgender Figuren beschieben.

Es zeigt Fig. 1 die Anordnung zur Erfassung des Drehmoment mit Messflansch (1) nach der Erfindung, eingebaut in Wellenstrang mit Pick UP (21) und Auswerteeinheit (22).

Fig. 2 zeigt die programmierbare Rotorelektronik (12) im Messflansch (1) mit rotorseitigem Telemetriemodem (7) und statorseitigem Telemetriemodem (29).

Fig. 3 ist ein Blockbild der programmierbaren Rotorelektronik (12) mit einem programmierbaren Messverstärker (8)gemäß der Erfindung.

Der wesentliche Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass der Verstärkungsfaktor und der Nullpunkt bzw. die Übertragung der programmierbaren Rotorelektronik (12) ferngesteuert über das Telemetriemodem (7) mit hoher Einstellauflösung programmierbar ist und damit das Ausgangssignal (13) auf einen bestimmten Bereich skaliert bzw. im Rotor bereits eine Kennlinienkorrektur durchgeführt werden kann. Die Skalierung wird in einem Speicher (4) gespeichert und die Programmierung erfolgt durch eine digitale telemetrische Datenübertragung vom Stator zum Rotor. Ein manueller Abgleich entfällt.

Die programmierbare Rotorelektronik (12) weist einen programmierbaren Messverstärker (8) auf. Heute sind am Markt eine Reihe programmierbarer Verstärkerbausteine mit zusätzlicher Offseteinstellmöglichkeit verfügbar. Die programmierbaren Messverstärker sind bekanntermaßen auf Basis von Operationsverstärkern aufgebaut.

Eine weitere Möglichkeit zur Festlegung der Verstärkung und des Nullpunkts ist der Gebrauch von präzisen Widerständen im Rückkoppelnetzwerk. Über FET-Schalter, welche digital angesteuert werden, können Widerstände zu- oder abgeschaltet werden und somit der Verstärkungsfaktor eingestellt werden. Die Verstärkung und der Nullpunkt werden üblicher Weise digital über ein Datenwort an der Ansteuerung (3) eingestellt.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von multiplizierenden programmierbaren Messverstärkern, wobei die Verstärkung über eine analoge Spannung, welche von einen D/A-Wandler kommen kann, gesteuert wird.

Eine weitere Möglichkeit ist die Digitalisierung des Messsignals und die anschließende Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung über eine rechnende Einheit - sprich Mikroprozessor. Dies kann durch Addition des Nullpunktkorrekturwertes und durch Multiplikation des Korrekturfaktors oder über eine Look-Up-Tabelle erfolgen.

In jedem Fall steuert eine Logik (3) den Datentransport vom Speicher (4) zur Ansteuerung (3) bzw. zu einer Look-UP- Tabelle. Der Speicher (4) und die Look UP Table (33) wird bei einer vorteilhaften Ausführung als nicht flüchtig ausgeführt. Dabei kann es sich um einmalig programmierbare Speicher oder auch um mehrmals programmierbare Speicher auf EEProm-Basis oder Speicher mit integrierter Batterie handeln. Bei den beiden letztgenannten Verfahren kann der Speicher (4) und die Look-UP-Tabelle (33) im Rahmen einer Nachkalibrierung reprogrammiert werden. Bei allen genannten Verfahren bleiben die Daten für Verstärkungseinstellung und Nullpunktseinstellung bzw. Look-UP-Tabelle auch bei Spannungsausfall erhalten.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung kann der Inhalt des Speichers (4) über den Wandler (6) ausgelesen werden. Zu diesem Zweck wird der Messdatenstrom unterbrochen und die Speicherdaten über die Logik (5) auf den Datenkanal vom Rotor zum Stator gelegt. Damit kann der Inhalt des Speichers (4) zu beliebigen Zeitpunkten ausgelesen oder die Programmierung durch Vergleich mit den eingeschriebenen Daten überprüft werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird ein einem Brückenzweig zuschaltbarer Referenzwiderstand (15) (Montage außerhalb der Rotorelektronik) über den Kalibrierschalter (10) vorgesehen, welcher eine definiertes Drehmoment (Verstimmung der Messbrücke) simuliert.

Dieser Referenzwiderstand (15) kann ferngesteuert ebenfalls von der stationären Seite aus zugeschaltet werden. Dadurch kann selbst bei Ausfall der Rotorelektronik (12) auf eine Neukalibrierung des Messflansches verzichtet werden, wenn das Sollsignal bei aktiviertem Referenzwiderstand (15) bekannt ist.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung kann dem Referenzwert ein bestimmter Verstärkungsfaktor und Nullpunkt zugeordnet werden, welche bei Aktivieren des Referenzwiderstandes aktiv werden und somit einen beliebigen Ausgangswert (zum Beispiel 100% der Messbereiches) erzeugen.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung werden im Speicher (4) nicht nur die Verstärkungs- und Nullpunktsdaten bzw. Look-UP-Tabelle, sondern zusätzliche Identifikationsdaten, wie Aufnehmertyp, Messbereich, Seriennummer, letztes Kalibrierdatum abgelegt. Damit wird eine automatische Identifizierung der Rotorelektronik (12) möglich und es können auch qualitätssichernde Daten abgefragt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Verstärkung und der Nullpunkt des programmierbaren Messverstärkers (8) zusätzlich umgeschaltet werden. Dadurch können mehrere Messbereiche mit einer Messnabe realisiert werden, wobei für jeden Bereich bereits kalibrierte Korrekturwerte im Speicher (4) hinterlegt sind.

In vielen Fällen wird oft die Erfassung der Wellenleistung gefordert. Dazu muss zusätzlich die Drehzahl der Messflansches erfasst werden. In einer vorteilhaften Ausführung wird auf den Messflansch eine Markierung (14) mit mindesten einer Marke in Form einer Farbe oder mechanischer Marke (Zahn) etc. ausgeführt. Ein integrierter Drehzahlsensor (30) in der Pick UP (21) in Form eines Lichtsensor oder Hallsensors mit Magnet wird die Marke (14) auf der Messnabe berührungslos erfasst und an die Auswerteeinheit weiter geleitet. Dort kann dann durch Multiplikation der Leistungsfluss über den Wellenstrang berechnet werden.

Es ist natürlich möglich, das Messsignal rotorseitig zu digitalisieren und den digitalen Ausgangswert auszugeben.

Dem digitalisiertem Messsignalwert kann über die erwähnte Look-UP-Tabelle ein individueller Ausgangswert zugeordnet werden, wodurch auch aussteuerabhängige Fehler (Linearitätsfehler) korrigiert werden können. Die-Look-UP- Tabelle wird während eines Kalibrierlaufes erzeugt, in dem die jeweiligen Istwerte einem Sollwert zugeordnet werden.

Dem digitalisierten Messsignalwert kann über eine Look-UP- Tabelle mit Gedächtnisfunktion ein individueller Ausgangswert zugeordert werden, wodurch auch Hysteresefehler korrigiert werden können. Die Look-UP-Tabelle wird während eines Kalibrierlaufes erzeugt, in dem den jeweiligen Istwerten auf Basis der letzten Belastungssituation ein Sollwert zugeordnet wird.

Es kann z. B. weiterhin über einen Temperatursensor die Temperatur des Messaufnehmers (1) erfasst und über eine 2- dimensionale Look-UP-Tabelle der umgebungsbedingte Temperatureinfluss auf den Messaufnehmer (1) korrigiert werden.

Der erwähnte Referenzwert, welcher im Rahmen des Kalibrierlaufes gewonnen wird, kann z. B. auch über einen D/A- Wandler im Speicher abgelegt und bei Aktivieren der Kalibrierungsfunktion einen beliebigen Ausgangswert (zum Beispiel 100% der Messbereiches) erzeugen.

Claims (11)

1. Anordnung zur Erfassung des Drehmomentes einer Welle mit einem Messflansch und einer integrierten Rotorelektronik, mit einem rotierenden Messkörper zum Erfassen des Drehmoments mit Dehnungmessstreifen zum Wandeln der mechanischen Torsion in ein elektrisches Signal und mit einem integrierten Messverstärker zum Verstärken des Messsignals sowie einer Telemetrieübertragungseinrichtung zur Übertragung des elektrischen Messsignals dadurch gekennzeichnet, dass

• a) die in der rotierenden Messnabe integrierte Rotorelektronik (12) ferngesteuert einstellbar ist,
• b) der Messverstärker programmierbar ist, wobei
• c) Nullpunkt und Verstärkung von Rotorelektronik und Messverstärker über die Telemetrieeinrichtung von der stationären Seite einstellbar sind,
• d) die Telemetrieeinrichtung bidirektional Signale überträgt, und
• e) ein Speicher zur Speicherung von Nullpunkt und Verstärkung vorhanden ist.

2. Drehmomentmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellbarkeit von Nullpunkt und Verstärkung mit hoher Auflösung erfolgt und somit ein normiertes Ausgangssignal an dem rotorseitigen Telemetriemodem gegeben ist.

3. Drehmomentmesseinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher nicht flüchtig ist und somit die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung auch bei Spannungsausfall erhalten bleibt.

4. Drehmomentmesseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Nullpunkt und Verstärkung über den programmierbaren Messverstärker (8) einstellbar sind.

5. Drehmomentmesseinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit zum Digitalisieren des Messwertes vorgesehen ist und die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung anhand dieses digitalisierten Messwertes über die Recheneinheit erfolgt.

6. Drehmomentmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich der Messnabe mittels des programmierbaren Messverstärkers in verschiedene Werte einstellbar ist und die Auswahl des Messbereichs über die statorseitige Telemetrieeinrichtung erfolgt.

7. Drehmomentmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Referenzwiderstand vorgesehen ist der zum Erzeugen eines Referenzmesswertes ferngesteuert aktivierbar ist.

8. Drehmomentmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Referenzwiderstand erzeugte Referenzmesswert über einen im Speicher liegenden Korrekturwert eine beliebige Ausgangssignalgröße (Kalibriersignal) erzeugt.

9. Drehmomentmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher programmierbaren und auslesbarer Speicher für einen Identifikationscode und Betriebsdaten vorhanden ist.

10. Drehmomentmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messflansch eine Markierung aufweist und ein zusätzlicher Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl vorhanden ist.

11. Drehmomentmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher für Nachkalibrierzwecke online über die statorseitige Telemetrieeinrichtung reprogrammierbar ist.