DE19849225C1 - Vorrichtung zur optoelektronischen Drehmomentbestimmung - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur optoelektronischen Drehmomentbestimmung an einem Maschinenelement unter Verwendung zweier an dem Maschinenelement angebrachter paralleler Kodierscheiben mit jeweils radial auf deren Umfang verteilten Rasterstrichen oder Lichtfenstern und mit an einer Seite der Kodierscheiben angeordneter Lichtquelle, der an der gegenüberliegenden Seite der Scheiben ein Lichtmesser zugeordnet ist, werden zur Vermeidung von Fehlern infolge einer nicht vermeidbaren Dezentrierung der Scheiben und einer bei Rotation auftretenden hochfrequenten Helligkeitsschwankung eine Lichtquelle und ein Lichtmesser eingesetzt, die zur weitgehend gleichstarken Durchleuchtung aller Lichtfenster ringförmig ausgebildet sind. Ferner ist in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den Kodierscheiben eine Diffusionsscheibe angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optoelektronischen Drehmomentbestimmung an einem Maschinenelement unter Verwendung zweier an dem Maschinenelement angebrachter, paralleler Scheiben mit jeweils radial ausgerichteten, auf deren Umfang verteilten Rasterstrichen oder Lichtfenstern, mit einer an einer Seite der Scheiben angeordneten Lichtquelle, der an der gegenüberliegenden Seite der Scheiben ein Lichtmesser zugeordnet ist.

Bei optischen Überdeckungsverfahren bekannter Vorrichtungen zur Drehmomentbestimmung wird die Torsion eines mit einem Drehmoment belasteten Bauteils, beispielsweise einer Welle, gemessen, indem der Überdeckungsgrad zweier unmittelbar nebeneinander auf der Welle angebrachter Scheiben gemessen wird. Diese haben jeweils radial auf dem Umfang verteilte Aussparungen oder Fenster. Die Aussparungen oder Fenster der beiden Scheiben sind so angeordnet, daß sie sich ohne Drehmoment vollständig überlappen. An einer der Außenseiten dieser Scheiben werden eine Lichtquelle und auf der anderen Seite ein Lichtmesser in Form einer oder mehrerer Fotodioden angebracht. Bei einer Torsion der Welle verdrehen sich auch die beiden Scheiben relativ zueinander. Hierdurch entsteht eine Öffnung zwischen den Aussparungen oder Fenstern der beiden Scheiben. Bei einer größer werdenden Öffnung nimmt die Intensität des Lichtes im Raum des Lichtmessers zu. Zur Kapselung der optischen Übertragungswege gegenüber der Umgebung wird für die Meßeinrichtung ein Gehäuse benötigt.

Aus der EP 0 340 172 A1 ist bekannt, daß Schwankungen der Beleuchtungsstärke Fehler im Ausgangssignal erzeugen, diese Fehler sollen nach den Ausführungen der Vorveröffentlichung dadurch kompensiert werden, daß ein zusätzliches Referenzsignal gemessen wird. Die bekannte Anordnung ist jedoch nicht in der Lage, Fehler infolge einer Dezentrierung der verwendeten, die Raster oder Fenster tragenden Scheiben und durch hochfrequente Helligkeitsschwankungen bei Rotation auszuschalten, so daß wegen der sich ergebenden Meßungenauigkeiten der praktische Einsatz von Vorrichtungen die nach dem in der vorgenannten Patentanmeldung beschriebenen System arbeiten, bisher ausgeschlossen war.

Die DE 34 26 751 A1 offenbart eine Einrichtung zur optoelektronischen Drehmomentmessung, bei der vier Paare von Signalsendern mit Signalempfängern umfangsverteilt angeordnet sind, um Exzentrizitätsfehler auszugleichen und auch die Messung sehr kleiner Winkel zu erlauben. Eine bei der Rotation auftretende hochfrequente Helligkeitsschwankung kann jedoch nicht ausgeschaltet werden.

Auch die DE 38 16 827 A1 zeigt hierfür keine Lösung, denn sie betrifft nur eine optoelektronische Vorrichtung zum Messen eines Drehmomentes mit lediglich einer ein diffuses Licht erzeugenden Lichtquelle und einen Empfänger zum Umwandeln von Licht in ein proportionales elektrisches Signal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einleitend genannte Vorrichtung zu schaffen, bei welcher Fehler infolge einer nicht vermeidbaren Dezentrierung der verwendeten Scheiben und/oder einer bei Rotation auftretenden hochfrequenten Helligkeitsschwankung beseitigt werden, so daß eine kostengünstige und hinreichend genau arbeitende Alternative zu den bisher verwendeten aufwendigen und teuren Vorrichtungen unter Einsatz von Dehnungsmeßstreifen geschaffen wird. Die Erfindung löst die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Die Ringanordnung von Lichtquelle und Lichtmesser liefert einen Mittelwert der transmittierten Lichtenergie, so daß auftretende Interferenzmuster infolge einer Dezentrierung der Lichtfenster oder Rasterscheiben, im weiteren Verlauf Kodierscheiben genannt, praktisch keine Rolle spielen.

Der Einsatz einer Diffusionsscheibe sorgt dafür, daß von jedem Diodenpaar gleichzeitig mehrere Öffnungen durchleuchtet bzw. erfaßt werden. Auf diese Weise können hochfrequente Helligkeitsschwankungen bei Drehungen der Welle verhindert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ergibt sich dadurch, daß die Rasterstriche bzw. die Fenster jeder Kodierscheibe in zwei konzentrische Ringzonen unterteilt und die Rasterstriche einer Zone in Umfangsrichtung um eine Strichstärke gegen die der anderen Zone versetzt angeordnet sind.

Die versetzte Anordnung der Rasterstriche trägt ebenfalls dazu bei, daß hochfrequente Helligkeitsschwankungen bei einer Drehung vermieden werden, verbessert also die Meßgenauigkeit.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, die Kodierscheiben so in Umfangsrichtung versetzt gegeneinander anzuordnen, daß ohne Einwirkung eines Drehmoments die halbe Lichtmenge, bezogen auf deren Maximalwert, durch beide Scheiben hindurchtritt. Dadurch können sowohl positive als auch negative Momente erfaßt werden.

Weitere den Erfindungsgegenstand vorteilhaft gestaltende Merkmale sind in den Patentansprüchen angegeben.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung ohne Gehäuse,

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung einer Vorrichtung ohne Gehäuse,

Fig. 3 die bevorzugte Rasteranordnung auf den Kodierscheiben,

Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung in Verbindung mit diese umfassenden Gehäuseteilen,

Fig. 5 ein Explosionsschaubild,

Fig. 6 ein Blockschaltbild der elektronischen Auswerteeinrichtung und

Fig. 7 die schematische Darstellung einer Referenzstrecke zwischen der Lichtquelle und dem Lichtmesser.

Die Welle 1 mit einem Torsionsabschnitt 2 verringerten Durchmessers trägt Hülsen 4 und 5. Die Hülsen sind beispielsweise durch Aufschrumpfen mit der Torsionswelle fest verbunden, wie mit 6 angedeutet ist. Die benachbarten, freien Enden der Hülsen 4 und 5 tragen Ringscheiben 7 und 8. Sie können durch eine Klebeschicht 9 gegen Verdrehung gesichert sein. Weitere Ringscheiben 10-12 sind stationär und umfassen die Trägerhülsen 4 und 5 mit Spiel. Die Scheiben 10 und 11 dienen der Befestigung ringförmig angeordneter Leuchtdioden als Lichtquellen 13 und Fotodioden als Lichtmeßelemente 14. Die im Strahlengang zwischen der Leuchtdiodenscheibe 10 und der Scheibe 7 angeordnete Ringscheibe 12 dient der Diffusion der von den Leuchtdioden ausgehenden Lichtstrahlen.

Die sich unmittelbar gegenüber stehenden Scheiben 7 und 8 sind Träger von lichtundurchlässigen Rasterstrichen 15a, 15b und Lichtfenstern 16a, 16b und werden nachstehend Kodierscheiben genannt. Die Rasterstriche sind in zwei konzentrischen Zonen angeordnet. Beide Zonen sind um eine Strichstärke gegeneinander versetzt, so daß sich ein schachbrettartiges Muster ergibt. Dadurch soll sichergestellt werden, daß bei Rotation und genauer Ausrichtung der Ringoptik die hindurchtretende durchschnittliche Lichtmenge eines Lichtstrahls 17 endlicher Dicke, dessen Mittelpunkt auf der Grenze zwischen beiden Zonen entlangwandert, im wesentlichen konstant bleibt (Fig. 3).

Die schematisch dargestellte Vorrichtung ist, wie Fig. 4 zeigt, in einem Gehäuse 20 anzuordnen. Der drehbaren Lagerung dienen die Wälzkörperlager 21. Gehäuse und Meßvorrichtung sind so aufeinander abgestimmt, daß die stationären Scheiben 10, 11 und 12 in umlaufenden Gehäusenuten 22-24 gelagert und gehalten werden.

Eine praktische Versuchsausführung ist mit der Fig. 5 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kodierscheiben 7 und 8 mit Flanschringen 25 und 26 fest verbunden, beispielsweise verklebt. Die Flanschringe selbst können dann mit den Hülsen 4 und 5 verschraubt werden, die ihrerseits zuvor auf die Torsionswelle 1 geschrumpft sind. Nach der Montage werde die beiden Gehäusehälften 20a, 20b mittels Schrauben 27 zusammengefügt.

Um nicht auszuschaltende, auf die Meßergebnisse verfälschend wirkende Einflüsse durch Temperatur und Alterungserscheinungen berücksichtigen zu können, ist vorzugsweise eine Referenzstrecke vorgesehen, die schematisch in Fig. 7 mit dem Pfeil 30 dargestellt ist. Dieser Pfeil soll einen Lichtstrahl symbolisieren, der von der Scheibe 10 ausgehend ungehindert durch die Diffusionsscheibe 12 hindurchtreten und an den Kodierscheiben 7 und 8 vorbei auf einen Empfänger an der Scheibe 11 treffen kann. Die Referenzwerte werden, wie das Blockschaltbild der Fig. 6 erkennen läßt, ebenso elektronisch verwertet, wie die eigentlichen Meßdaten.

Beim Auftreten eines Drehmomentes sowohl bei einem nicht rotierenden als auch rotierenden Maschinenelement (Welle) werden die beiden äußeren Ende des Maschinenelements bzw. der Welle 1 gegeneinander verdreht. Die Hülsen 4 und 5 übertragen die Torsion auf die an ihren freien Ende sitzenden Kodierscheiben 7 und 8, die sich in gleichem Maße gegeneinander verdrehen. Dadurch werden die Durchtrittsquerschnitte für das hindurchtretende Licht verändert. Die sich proportional mit der Torsion ändernde durchtretende Lichtmenge wird von den Fotodioden der Scheibe 11 aufgenommen und in elektrische Spannung umgesetzt.

Die elektronische Weiterverarbeitung geschieht in der sich anschließenden elektronischen Einrichtung entsprechend dem Blockschaltbild der Fig. 6. Während die Fotodioden die vom Drehmoment abhängige Beleuchtungsstärke erfassen (I 1) sorgt die parallele Referenzstrecke für eine Korrektur der Meßdaten infolge Temperaturunterschiede und Alterung (I 2).

Die analogen Daten werden verstärkt und mit Hilfe des Prozessors korrigiert. Eine weitere Funktion des Prozessors ist die Überwachung des Meßsystems. Über den Eingang "Überwachung" erfaßt der Prozessor einen Defekt und kann das System abschalten oder eine Fehlfunktion anzeigen.

Der "Steuereingang" dient zum Programmieren des Prozessors von außen. Über ihn werden im wesentlichen die Korrekturfaktoren und Umrechnungsfaktoren eingegeben. Außerdem kann über den Steuereingang das Meßsystem kalibriert werden.

Die Schaltung hat zwei unterschiedliche Ausgänge. An einem Ausgang steht eine analoge Gleichspannung zur Verfügung, deren Höhe Aufschluß über das augenblicklich wirkende Drehmoment gibt. Am anderen Ausgang kann das Meßsystem auch direkt mit einem Rechner verbunden werden, um die digitalen Meßdaten auszuwerten.

Eine bei der Montage nicht vollständig zu vermeidende Dezentrierung der Kodierscheiben gegeneinander führt insbesondere bei relativ kleinen Fensterbreiten zu Interferenzmustern, die sich dahingehend auswirken, daß sich auf der Empfängerseite Bereiche mit hoher Durchlässigkeit und Stellen mit niedriger Durchlässigkeit ausbilden. Dieser Effekt nimmt bei einer Vergrößerung der Schlitzbreiten ab. Da auf mechanischem Wege eine große Genauigkeit nur sehr aufwendig realisierbar ist, wurde vorgesehen, eine ringförmige Optik zu schaffen, wodurch der gesamte Umfang der Kodierscheiben gleichzeitig bestrahlt wird, um einen Mittelwert zu erhalten. Sowohl die Leuchtdioden auf der Scheibe 10 als auch die Empfängerdioden auf der Scheibe 11 wurden ringförmig über den Umfang verteilt angeordnet. Dadurch können alle Fensterscheiben weitgehend gleichstark angeleuchtet und ein Mittelwert des Lichtes registriert werden.

Bei den verwendeten Rastermustern auf den Kodierscheiben entsteht bei Rotation einer Welle ein zusätzlicher Impulsmustereffekt, da sich stets lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Partien abwechseln. Um diesen Effekt zu verringern, hat es sich als sehr wirksam erwiesen, durch den Einsatz einer oder mehrerer Diffusionsscheiben das auf die Kodierscheiben fallende Licht zu streuen, so daß der wahrgenommen Lichtunterschied je Fotodiode bei Rotation der Welle kleiner wird.

Die Pfeile in der Fig. 7 geben die Lichtverteilung wieder. Ausgehend von der Scheibe 10 oder Sendeplatine treffen wenige starke Strahlen auf die Diffusionsscheibe 12. Angedeutet durch eine Vielzahl kleinerer Pfeile soll hier die Verteilung oder Streuung deutlich gemacht werden. Hinter den Rasterscheiben 7, 8 schließlich variiert die Lichtintensität in Abhängigkeit vom wirkenden Drehmoment.

Um den Impulsmustereffekt weiter zu verringern, ist es zusätzlich sinnvoll, die Anordnung der Stege so zu ändern, wie in der Fig. 3 zu erkennen ist. Bei einer Rotation treten immer die gleichen Lichtmengen hindurch. Messungen haben ergeben, daß der auf den Maximalwert bezogene relative Fehler bei Einsatz einer Filterscheibe und korrekter Positionierung auf unter 1% reduziert werden kann.

Bei Ausrüstung der Torsionswelle mit Kupplungselementen kann die komplette Vorrichtung in Form einer Meßkupplung ohne großen Montageaufwand zur ständigen Überwachung in Antriebseinrichtungen und dergleichen eingesetzt werden. Sie erlaubt eine berührungslose Messung mit analoger Meßwertaufnahme und digitaler Meßwertaufbereitung bei hoher Meßwertrate. Es ist keine Energieübertragung auf eine rotierende Welle und keine Übertragung der Meßwerte über Funk oder Schleifringe notwendig. Dadurch ergibt sich eine günstige Alternative zu den bekannten Systemen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur optoelektronischen Drehmomentbestimmung an einem Maschinenelement unter Verwendung zweier an dem Maschinenelement angebrachter paralleler Kodierscheiben mit jeweils radial auf deren Umfang verteilten Rasterstrichen oder Lichtfenstern, mit an einer Seite der Kodierscheiben angeordneter Lichtquelle, der an der gegenüberliegenden Seite der Scheiben ein Lichtmesser zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10, 13) und der Lichtmesser (11, 14) zur weitgehend gleichstarken Durchleuchtung aller Lichtfenster ringförmig ausgebildet sind und in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und den Kodierscheiben (7, 8) eine Diffusionsscheibe (12) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterstriche (15a, 15b) jeder Kodierscheibe in zwei konzentrische Ringzonen unterteilt und die Rasterstriche einer Zone in Umfangsrichtung um eine Strichstärke gegen die der anderen Zone versetzt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausschluß der Kodierscheiben eine direkte Referenzstrecke (30) zwischen der Lichtquelle und dem Lichtmesser ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierscheiben so zueinander angeordnet sind, daß bei fehlendem Drehmoment die halbe Lichtmenge, bezogen auf deren Maximalwert, durch beide Kodierscheiben hindurchtritt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kodierscheibe fest am freien Ende einer Trägerhülse (4, 5) angeordnet und jede Trägerhülse mit ihrem der Kodierscheibe abgewandten Ende fest mit dem drehmomentbelasteten Maschinenelement verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Drehmoment ausgesetzte Maschinenelement eine Welle (1) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle mit Kupplungselementen versehen und mit allen innerhalb eines Gehäuses (20) angeordneten Meßgeräteteilen als in sich abgeschlossene, einsetzbare Meßeinheit ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtmesser Fotodioden (14) über Verstärker mit einem Prozessor einer elektronischen Schaltung verbunden sind, um die analogen Daten zu korrigieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor mit Eingängen für die Überwachung des Meßsystems und zum Programmieren von außen versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung einen Ausgang für eine analoge Gleichspannung aufweist, deren Höhe Aufschluß über das momentan wirkende Drehmoment gibt und über einen weiteren Ausgang zum direkten Auswerten der digitalen Meßdaten mit einem Rechner (10) verbunden ist.