DE19950652A1

DE19950652A1 - Anordnung zur Erfassung des Drehmoments mit Meßflansch und integrierter Korrekturelektronik

Info

Publication number: DE19950652A1
Application number: DE1999150652
Authority: DE
Inventors: Ernst Manner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-04-26

Abstract

Nachstehende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung des Drehmoments mit Meßflansch und berührungsloser Übertragung. Meßflansch und Auswerteeinheit (Pick Up) sind getrennt. Aufgabe der Erfindung ist es, die Verstärkung und den Nullpunkt in der Rotorelektronik (12) remonte mit hoher Auflösung (min. 8 Bit) von der stationären Seite aus einstellbar zu gestalten und gegebenenfalls eine Linearisierung bzw. die Temperaturdriftkompensation der Übertragungskennlinie vorzunehmen. Dabei kann der Rotor völlig von einem Gehäuse umgeben sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung des Drehmoments an einer Welle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Anordnung 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 392 21 556 C3 bereits realisiert. Sie bestehen aus einem rotierenden Meßkörper mit Rotorelektronik (12) und einer Signal 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 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 werden über ein aussteuerabhängiges Netzwerk korrigiert. Nach Stand der Technik wird heute der Abgleich über Trimmpotis 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 (12) individuell abgeglichen werden. Trimmpotis 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 rotorienden Meßnabe mit Rotorelektronik (12) kann nur durch Löten oder Widerstandsveränderung vorgenommen werden. Üblicherweise ist die Rotorelektronik (12) 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 Widerstandsnetzwerk bzw. Diodennetzwerk mittels manuellen Eingriffs erfolgen.

Ein wesentlicher Vorteil der berührungslosen Übertragung gegenüber Schleifringsystemen ist die mechanische Auswechselbarkeit der rotorierenden Meßnabe ohne Tausch der stationären Elemente. Um diesen Tausch ohne nachträgliche Kalibrierung ermöglichen, müssen jedoch an der berührungslosen Übertragungsstrecke normierte Signale ausgetauscht werden, daß heißt die Meßnabe mit Rotorelektronik (12) muß in sich kalibriert sein. Ein derartiger Abgleich auf Normwerte ist nicht nur schwierig, sondern auch kostspielig.

Desweiteren 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 Trimmpoti am einstellbaren Verstärkers auf der stationären Seite korrigiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es bei der Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Verstärkung und den Nullpunkt in der Rotorelektronik (12) remote mit hoher Auflösung (min. 8 Bit) von der stationären Seite aus einstellbar zu gestalten sowie eine eventuelle Linearitätskorrektur, Temperaturdriftkorrektur durchzuführen. Dabei kann der Rotor völlig von einem Gehäuse umgeben sein. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Lagerlose Drehmomentmeßeinrichtungen mit berührungsloser Übertragung gewinnen zunehmend an Interesse. Entscheidend ist hierbei die große Geometrietoleranz von bis zu 30 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 zusätzliche remote einstellbare Rotorelektronik (12) in Verstärkung und Nullpunkt mit hoher. Einstellauflösung eröffnet sich die Möglichkeit der vollständigen Kappselung von DMS-Aufnehmer, Rotorelektronik (12) 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 Serientolerenzen und der nichtidealen Werkstoffeigenschaften ist ein Abgleich für jeden Sensor (Meßflansch) notwendig. Desweiteren kann die Meßgenauigkeit durch eine Kennlinienkorrektur (Linearität und Hysterese) erheblich verbessert werden. Durch die remote 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. eleminiert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird in der Meßnabe auch ein Identifikationscode sowie sonstige Betriebsdaten abgespeichert. Diese kann 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 (12) samt Abgleich in Miniaturschaltkreisen aufgebaut werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gegeben.

Die Erfindung wird an Hand folgender Figuren beschrieben.

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 Blockbild von programmierbarer Rotorelektronik (12) mit programmierbarem Programmierbarer Meßverstärker (8).

Fig. 4 Blockbild von programmierbarer Rotorelektronik (12) mit integrierter Look Up Table (32) zur Linearisierung von Meßflansch (1).

Fig. 5 Blockbild von programmierbarer Rotorelektronik (12) mit integrierter Look Up Table (32) und zusätzlichen Temperatursensor (31) zur Temperaturdriftkompensation von Meßflansch (1).

Der wesentliche Grundgedanke der vorliegenden Erfindungen liegt in der Tatsache, daß der Verstärkungsfaktor und der Nullpunkt bzw. die Übertragung der programmierbaren Rotorelektronik (12) remote 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) kann vorteilhaft auf Basis eines programmierbaren. Programmierbarer Meßverstärker (8) aufgebaut sein. Heute sind am Markt eine Reihe programmierbare Verstärkerbausteine mit zusätzlicher Offseteinstellmöglichkeit verfügbar. Die programmierbaren Programmierbarer Meßverstärker (8) sind bekanntermaßen auf Basis von Operationsverstärkern aufgebaut.

Eine weitere Möglichkeit zur Festlegung der Verstärkung und Nullpunkt 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 wird üblicher Weise digital über ein Datenwort an der Ansteuerung (3) eingestellt.

Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von muliplizierenden Programmierbarer Meßverstärker (8), wobei die Verstärkung über eine analoge Spannung, welche von einen D/A-Wandler kommen kann, gesteuert werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die rotorseitige Digitalisierung des Meßsignals und das Ausgabe des digitalen Ausgangswerts.

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 einer vorteilhaften Ausführung wird dem digitalisiertem Meßsignalwert über eine Look Up Table ein indiviueller Ausgangswert zugeordert werden und somit auch aussteuerabhängige Fehler (Linearitätsfehler) korrigiert werden. Die Look UP Table während eines Kalibrierlaufes erzeugt in dem die jeweiligen Istwert ein Sollwert zugeordnet wird.

In einer vorteilhaften Ausführung wird dem digitalisiertem Meßsignalwert über eine Look Up Table mit Gedächtnisfunktion ein indiviueller Ausgangswert zugeordert werden und somit auch Hysteresefehler korrigiert werden. Die Look UP Table wird während eines Kalibrierlaufes erzeugt in dem die jeweiligen Istwert auf Basis der letzten Belastungssituation ein Sollwert zugeordnet wird.

In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung wird über einen Temperatursensor (32) die Temperatur des Meßaufnehmers (1) erfaßt und über eine 2 dimensionale Look Up Table der umgebungsbedingte Temperatureinfluß auf den Meßaufnehmer (1) korrigiert.

In jedem Fall steuert eine Logik (3) den Datentransport vom Speicher (4) zur Ansteuerung (3) bzw. zur Look Up Table. 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-Basisoder Speicher mit integrierter Batterie handeln. Bei den beiden letztgenannten Verfahren kann der Speicher (4) und die Look UP Table (33) im Rahmen einer Nachkalibrierung reprogrammiert werden. Bei allen genannten Verfahren bleiben die Daten für Verstärkungseinstellung und Nullpunkteinstellung bzw. Look Up Table 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 Zeitpunkt 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 Rotorelektronik (12)) über den Kalibrierschalter (10), welcher eine definiertes Drehmoment (Verstimmung der Meßbrücke) simuliert. Dieser Referenzwiderstand (15) kann remote 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 aktivierten Referenzwiderstand (15) bekannt ist.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung kann dem Referenzwert einen bestimmtem 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 kann dem Referenzwert über einen D/A- Wandler, welcher im Rahmen des Kalibrierlaufes gewonnen wird im Speicher abgelegt und bei aktivieren der Kal.-funktion einen beliebigen Ausgangswert (zum Beispiel 100% der Meßbereiches) erzeugen.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung werden im Speicher (4) nicht nur die Verstärkungs- und Nullpunktdaten bzw. Look Up Table sondern zusätzlichen Identifikationsdaten, wie Aufnehmertyp, Meßbereich Seriennummer, letztes Kalibrierdatum abgelegt. Damit wird eine automatische Identifizierung der Rotorelektronik (12) möglich und es können auch qualitätsichernde Daten abgefragt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Verstärkung und der Nullpunkt des Programmierbarer 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. In einer vorteilhaften Ausführung wir auf den Meßflansch eine Markierung (14) mit mindesten einer Marke in Form einer Farbe oder mechanischer Marke (Zahn) oder etc. ausgeführt. Ein integrierter Drehzahlsensor (30) in der Pick UP (21) in Form eines Lichtsensor oder Halsensor 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.

Referenzliste

1

Meßflansch

2

Wellenkörper

3

Ansteuerung

4

Speicher

5

Logik

6

Wandler

7

bidirektionales Telemetriemodem (Rotor)

8

programmierbarer Programmierbarer Meßverstärker

9

Meßbrücke

10

Remote Kalibrierschalter

11

Wellenstrang

12

programmierbare Rotorelektronik

13

Ausgangssignal

14

Drehzahlmarke

15

Referenzwiderstand

21

Pick UP

22

Auswerteeinheit

23

Verbindungskabel

24

D/A-Wandler

28

Statorelemente

29

bidirektionales Telemetriemodem

30

Drehzahlsensor

31

Temperatursensor

32

Look Up Table

Claims

1. Anordnung zur Erfassung des Drehmoment mit Meßflansch und integrierter Korrekturelektronik mit rotorierendem Meßkörper zum Erfassen des Drehmoments

- mit Dehnungsmeßstreifen zum Wandeln der mechanischen Torsion in ein elektrisches Signal,
- einem integrierten Programmierbarer Meßverstärker (8) zum Verstärken des Meßsignals,
- einer Telemetrieübertragungseinrichtung zur Übertragung des elektrischen Meßsignals,
- gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- a) eine frei programmierbare Rotorelektronik (12) ist in der rotierenden Meßnabe integriert,
- b) daß die Kennlinie des Aufnehmers frei programmierbar ist,
- c) die Telemetrieeinrichtung kann bidirektional Signale übertragen kann,
- d) das die Kennlinie über die Telemetrieeinrichtung von der stationären Seite eingestellt werden,
- e) ein Speicher zur Speicherung 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 violent ist und somit die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung auch bei Spannungsausfall erhalten bleibt.

4. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung über einen programmierbaren Programmierbarer Meßverstärker (8) erfolgt.

5. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert digitalisiert wird und die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung über eine Recheneinheit erfolgt.

6. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert digitalisiert wird und die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung über eine Look UP Table (32) erfolgt.

7. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ist, daß der digitalisierte Meßwert über ein Polynom oder Look Up zum Sollwert korrigiert wird und das Korrekturpolynom bzw. Look UP Table im Rahmen des Kalibrierlaufes gewonnen wird.

8. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ist, daß der digitalisierte Meßwert über ein Polynom oder Look Up mit Gedächtnisfunktion zum Sollwert korrigiert wird und das Korrekturpolynom bzw. Look UP Table im Rahmen des Kalibrierlaufes gewonnen wird.

9. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet ist, daß das ein zusätzlicher Temperatursensor vorhanden ist und der digitalisierte Meßwert in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur über ein Polynom oder eine 2 dimensionale Look Up zum Sollwert temperaturunabhängig korrigiert wird und das Korrekturpolynom bzw. Look UP Table im Rahmen des Kalibrierlaufes gewonnen wird.

10. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich der Meßnabe mittels des programmierbaren Verstärkers verschiedene Werte annehmen kann und die Auswahl des Meßbereichs über das statorseitige Telemetriemodem erfolgt.

11. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Referenzwiderstand zum Erzeugen eines Referenzmeßwertes remote aktiviert werden kann.

12. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Referenzwiderstand erzeugte Referenzmeßwert über einen im Speicher liegenden Korrekturwert eine beliebige Ausgangssignalgröße (Kalibriersignal) erzeugt.

13. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Speicher für Identifikationscode und Betriebsdaten vorhanden ist, welcher programmiert und beliebig oft ausgelesen werden kann.

14. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßflansch eine Markierung aufweist und ein zusätzlicher Drehzahlsensor vorhanden, der die Drehzahl erfaßt.

15. Drehmomentmeßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher für Nachkalibrierzwecke online über das statorseitige Telemetriemodem reprogrammierbar ist.