DE69904593T2

DE69904593T2 - Geschwindigkeitskontrolle für drehende welle

Info

Publication number: DE69904593T2
Application number: DE69904593T
Authority: DE
Inventors: John Graham Everest
Original assignee: Westwind Air Bearings Ltd
Current assignee: Novanta Technologies UK Ltd
Priority date: 1998-05-20
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2019-05-20
Also published as: DE69904593D1; IL139726A0; JP2002516395A; IL139726A; GB9810864D0; WO1999060412A1; EP1080374B1; EP1080374A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehvorrichtung, wie einen Rotationsscanner, bei der hinsichtlich der Drehzahlsteuerung ein hoher Grad an Genauigkeit erforderlich ist, und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung. Die Erfindung betrifft auch eine Drehvorrichtung für andere Zwecke als eine Abtastung, bei der hinsichtlich der Drehzahlsteuerung und der Drehstellung ein hoher Grad an Genauigkeit erforderlich ist, und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.
Für Laserscanner werden zur Erzeugung von Bildern in hoher Qualität durch den sogenannten Bildeinstellungsprozeß Hochgeschwindigkeitsdrehwellen oder -spindein verwendet. Die Scannerspindel dreht ein Spiegelpolygon oder Prisma, wodurch ein auftreffender Laserstrahl auf das zur Bilderzeugung verwendete Medium gerichtet wird. Zur Erzeugung von Bildern in ultrahoher Qualität ist die Verwendung einer Rückführsteuerung auf der Basis der Drehstellung der Optik, d. h. des Spiegelpolygons oder Prismas, wesentlich. Diese wird gegenwärtig durch die Montage einer drehbaren optischen Codiereinrichtung an dem dem Ende, an dem die Optik montiert ist, gegenüberliegenden Ende der Spindel und die Aufnahme eines Signals von der optischen Codiereinrichtung zur Realisierung der Rückführsteuerung realisiert. Die optische Codiereinrichtung besteht im allgemeinen aus einer Scheibe mit ca. 2.500 darauf aufgedruckten Linien, wodurch die Position der Welle in jedem Stadium einer Drehung festgestellt werden kann.
Bei den Scannern traten Probleme auf, die auf die Montage der Codiereinrichtung zurückzurühren sind. Die Codiereinrichtung in Form der Scheibe wird extern an der Scannerspindel montiert, wobei die Rechtwinkligkeits- und Konzentrizitätstoleranzen von verschiedenen Herstellungstoleranzen, der Fertigungsqualität und dem endgül tigen Zusammenbau abhängen. Dies kann zu nachteiligen Situationen führen, in denen die Codierscheibe hinsichtlich Konzentrizität und Parallelität nicht "rund" mit der Achse der Spindel läuft. Dies manifestiert sich dadurch, daß die Codiereinrichtung aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Montage der Codiereinrichtung falsche Meßergebnisse liefert.
In der US 5734108 ist ein System zur Erfassung von Wellenversatz und -verformung unter Last offenbart. Das System umfaßt eine Einrichtung zum Drehen einer Welle und zur Erfassung ihrer Drehzahl sowie die Verwendung einer Rückführsteuerung zum Halten der Welle auf einer gesteuerten Drehzahl. Die Rückführsteuerung ist so beschaffen, daß sie auf die Welle geprägte Markierungen abtastet, um die Drehstellung der Welle zu erfassen.
In der US 5734108 ist auch ein Verfahren zur Anbringung der Markierungen auf der Welle unter Verwendung einer lichtempfindlichen Emulsion und von Stroboskoplicht offenbart.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehwelle mit Rückführsteuerung zu schaffen, durch die die vorstehend beschriebenen Probleme überwunden werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Dreh Vorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe, einer Einrichtung zum Drehen der Wellenbaugruppe mit einer gesteuerten Drehzahl, einer Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Wellenbaugruppe und einer Rückführsteuerung zum Halten der Wellenbaugruppe auf der gesteuerten Geschwindigkeit geschaffen, wobei die Wellenbaugruppe mehrere bei der Drehung direkt auf die Wellenbaugruppe geprägte und in im wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Intervallen um die Wellenbaugruppe angeordnete Positionsmarkierungen aufweist und die Rückführsteuerung so beschaffen ist, daß sie die Mar kierungen abtastet, um eine kontinuierliche Erfassung der Drehstellung der Wellenbaugruppe zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwellenbaugruppe zumindest auf einem Umfangsbereich eine Plastomerbeschichtung aufweist und die angebrachten Markierungen sich in CD-Lese-Schreib-Form auf der Beschichtung befinden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Drehvorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe mit mehreren zugehörigen Positionsmarkierungen zur synchronisierten Steuerung von Drehvorgängen der Wellenbaugruppe geschaffen, das die Schritte
des direkten Prägens der mehreren Positionsmarkierungen auf die Wellenbaugruppe an Positionen um und auf der Wellenbaugruppe und des Drehens der Wellenbaugruppe beim Prägen der Markierungen umfaßt, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des Aufbringens einer Plastomerbeschichtung auf die Welle vor dem Schritt des Prägens der Markierungen und des Aufbringens von Daten in einer CD-Lese-Schreib-Form.
Der Begriff Wellenbaugruppe bezeichnet eine Welle oder Spindel als solche oder eine Welle oder Spindel, die Bauteile wie Spiegel, Scheiben oder weitere Vorrichtungen umfaßt, die einstückig mit ihr ausgebildet oder als Einheiten, die zusammen mit ihr rotieren, an ihr montiert sein können.
Durch Anbringen der Markierungen auf der Wellenbaugruppe bei einer Drehung ist es möglich, daß die Markierungen selbst dann eine Rotationssymmetrie aufweisen, wenn die Wellenbaugruppe selbst nicht rund läuft. Eine Entwicklung der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe mit mehreren aufgedruckten Markierungen in gleichmäßigen Abständen mit einer Rotationssymmetrie mit einem hohen Grad an Genauigkeit oder mit ei nem hinsichtlich der Zentrizität der die Markierungen aufweisenden Wellenbaugruppe noch höheren Grad an Genauigkeit.
Die Markierungen können bei einer Drehung der Wellenbaugruppe relativ zu einem Laserstrahl durch einen Impulsstrom des Laserstrahls aufgebracht werden. Im allgemeinen ist nur ein einziger, bei einer einzigen Umdrehung der Wellenbaugruppe in bezug auf den Laserstrahl erzeugter Datenkreis erforderlich, obwohl gegebenenfalls mehr als ein konzentrischer Kreis aufgebracht werden kann, wobei ein Kreis beispielsweise gleichmäßig beabstandete, gleichartige Daten und ein zweiter Kreis eine einzige Markierung zur Bereitstellung einer Orientierung hinsichtlich der Startposition enthalten kann. Vorzugsweise ist jedoch ein einziger Datenkreis vorgesehen, wobei die Impulse gleichmäßig beabstandet sind, aber eine Verschlüsselung enthalten, die für verschiedene Steuervorgänge die Feststellung der Winkelstellung in verschiedenen Drehstellungen ermöglicht. Ebenso können mehrere Kreise vorgesehen sein, die Daten für verschiedene Nutzungen kalibrierte Daten liefern.
Die Drehwellenbaugruppe mit der Plastomerbeschichtung auf zumindest dem Umfangsbereich und der Laserstrahl, die die Daten in CD-Lese-Schreib-Form auf dieser Beschichtung aufbringt, ermöglichen gegebenenfalls ein Neuschreiben der Daten. Die Wellenbaugruppe kann beispielsweise für eine andere Anwendung neu kalibriert werden müssen.
Die Codierungslinien können vor dem Zusammenbau der Spiegelbaugruppen direkt auf den äußeren Umfang einer Scannerwelle oder -Spindel geschrieben werden, wenn dies gewünscht wird, wobei die codierten Linien vorzugsweise durch einen Laser auf die Umfangsfläche geschrieben werden, während sich die Drehwelle dreht. Dadurch können Unregelmäßigkeiten der Rotationssymmetrie der Welle berücksichtigt werden. Obwohl die gekrümmte Außenfläche der Welle die bevorzugte Position für die Markierungen darstellt, können sie auch an der Außenkante einer Endfläche der Wellenbaugruppe auf einem kreisförmigen Pfad um den Umfang angeordnet sein, sofern dies gewünscht wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Drehvorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe mit mehreren zugehörigen Positionsmarkierungen zur synchronisierten Steuerung der Drehvorgänge der Wellenbaugruppe geschaffen, das durch die Schritte
des direkten Aufbringens der mehreren Positionsmarkierungen auf der Wellenbaugruppe an Positionen um und auf der Wellenbaugruppe und der Rotation der Wellenbaugruppe mit einer normalen Betriebsgeschwindigkeit beim Aufbringen der Markierungen gekennzeichnet ist.
Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird nun lediglich beispielhaft eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den Schnitt einer Spindel und einer zugeordneten Codelesebaugruppe;
Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht eines Teils des Querschnitts der Spindel; und
die Fig. 3, 4 und 5 schematische Diagramme verschiedener Rückführsteuersysteme, die die Erfindung nutzen.
Der optische Scanner umfaßt eine im Schnitt gezeigte Spindel 1, die codierte Markierungen aufweist, die so angeordnet sind, daß sie den Umfang umgebende, d. h. ringförmige, Linien von Markierungen auf der Umfangsfläche bilden (siehe Fig. 2). Ein (nicht gezeigter) herkömmlicher Laserscanner für einen Aufbau zur Einstellung von Bildern in hoher Qualität umfaßt einen Drehspiegel, der an der Spindel 1 montiert ist, während ein weiterer Teil der Spindel in bezug auf eine Codelesebaugruppe 2 freiliegt.
Die Codelesebaugruppe umfaßt eine Lasierdiode 3, deren Energie auf eine erste reflektierende Oberfläche 4 eines 90º-Prismas 5 und dann auf den Umfang der Welle gerichtet wird, auf dem sie die codierten Markierungen abtastet, wobei sie über eine zweite reflektierende Oberfläche 6 des Spiegels ein Bild auf eine Pin-Photodiode 7 zurücksendet. Der Ausgang der Pin-Photodiode wird dann zur Rückführsteuerung der Bildeinstellungsbaugruppe verwendet.
Die codierten Markierungen werden während der Herstellung der Welle erzeugt. Die Spindel 1 wird innerhalb des erforderlichen Drehzahlbereichs mit einer vorgegebenen Drehzahl gedreht. Eine preiswerte CD-ROM-Laserschreibeinrichtung ist radial zur Spindel angeordnet, so daß durch eine Betätigung des Lasers um den Umfang verlaufende codierte Linien in Form eines oder mehrerer zu ihrer Längsachse konzentrische Ringe auf den Umfang der Spindel 1 geätzt werden. Die Codierung der radialen Oberfläche der Spindel 1 kann in jeder geeigneten Position entlang der Länge der Spindel erfolgen.
Die codierten Linie werden geätzt, während die Spindel mit einer normalen Betriebsgeschwindigkeit gedreht wird, wodurch der dynamische Effekt der Spindel beim Betrieb überwunden wird.
Sämtliche codierten Linien sind in bezug auf die Spindelachse konzentrisch, und die dem Ausgang der codierten Linien entnommenen Meßwerte liefern sowohl hinsichtlich der Konzentrizität als auch hinsichtlich der Parallelität eine wahrheitsgemäße und genaue Repräsentation der Drehbewegung der Scannerspindel und der Optik.
Im folgenden wird auf die Fig. 3, 4 und 5 Bezug genommen, die schematische Diagramme zeigen, die verschiedene Rückführsteuersysteme darstellen, die die Erfindung nutzen.
Gemäß Fig. 3 weist ein Motor 10 eine Welle 11 mit einem Kreis aus Markierungen 12 auf, die durch die Vorrichtung gemäß Fig. 1 aufgebracht wurden. Ein Detektor 13 an der gleichen Position liest die Markierungen und führt einem Detektorverstärker 14 ein Signal zu. Dieser erzeugt dann einen ersten Ausgang 15, der eine Messung der tatsächlichen Drehzahl der Welle darstellt, und einen zweiten Ausgang 16, der durch ein Filter 17 gefiltert wurde, um an der gleichen Position einmal pro Umdrehung einen indizierten Signalausgang zu erzeugen. Die tatsächliche Drehzahl und das Drehzahlsteuersignal 18 von dem Verstärker 14 werden in eine Drehzahlsteuereinheit 19 und von dieser Einheit in einen Motorenumkehrverstärker 20 eingegeben, der dann Rückrührsignale an den Motor sendet, um sicherzustellen, daß er eine genau gesteuerte Drehzahl einhält.
Fig. 4 zeigt eine Modifikation des Aufbaus gemäß Fig. 3, die eine Positionssteuerung ermöglicht. In diesem Fall ist es möglich, daß die Position der auf der Welle montierten Elemente, wie der Spiegel, genau festgestellt werden muß, um die vollständige Steuerung eines Abtastprozesses zu ermöglichen. Die Markierungen auf der Welle sind in diesem Fall mit verschlüsselten Informationen versehen, so daß die Positionen verschiedener Drehwinkel auf der Welle festgestellt werden können. Die Daten werden dann von dem Detektor 14 einer Positionsdecodiereinrichtung 21 zugeführt, die die Position des Elements feststellt, dessen Position benötigt wird. Das Signal von der Positionsdecodiereinheit 21 wird dann einer Positionssteuereinheit 22 zugerührt. Von der Positionssteuereinheit 22 wird ein Ausgangssignal 23 ausgegeben, das die tatsächliche Position angibt, während über einen Eingang 24 ein Positionsbezugssignal eingegeben wird. Die Positionssteuereinheit 22 analysiert dann die Daten und sendet über jeweilige Signalpfade 25 und 26 eine die Positionssteuerung und die Richtung betreffende Rückmeldung an den Umkehrverstärker 20.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der sowohl eine Positions- als auch eine Drehzahlsteuerung erfolgen, indem mehrere Merkmale der Anordnungen gemäß den Fig. 3 und 4 kombiniert werden.
In diesem Fall sendet der Positionsdetektor 21 seinen Ausgang an eine programmierbare Vorgangssteuereinheit 27, die dann, wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 3, die tatsächliche Geschwindigkeit und den Index betreffende Ausgänge 15 und 16 sowie verschiedene Ausgänge 28 zur Steuerung von Vorgängen liefert, die von der Drehung der Welle 11 abhängen.
In diesem Fall existieren drei von der Drehzahl, der Position und der Richtung abhängige Rückführsignale von der Steuereinheit 27, die in eine Motorenverstärker- und Steuereinheit zur Steuerung der Drehung des Motors 10 eingegeben werden. Abhängig von der Art des verwendeten Motors sollten die Rückführsignale für die Steuerung eines Wechselstrominduktionsmotors, eines bürstenlosen Kommutatorgleichstrommotors oder eines Wechselstromsynchronmotors geeignet sein.
Der Hauptvorteil der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist, daß die codierten Markierungen rotationssymmetrisch sind, so daß sie bezüglich der Drehstellung der Welle wahrheitsgetreue Meßwerte liefern, und daß der Aufbau bei hohem Genauigkeitsniveau besonders einfach und preiswert herzustellen ist.
Es wird darauf hingewiesen, daß mehr als ein Codemuster auf die Spindel geschrieben werden kann, wobei die Auswahl des Mu sters von den Bedürfnissen des Kunden und der Anwendung abhängt.
Auch alle anderen Arten von Daten, die beim Ausführen eines Abtastvorgangs benötigt werden könnten, können in den codierten Linien gespeichert sein, damit sie im Bedarfsfall gelesen werden können.

Claims

1. Drehvorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe, einer Einrichtung zum Drehen der Wellenbaugruppe mit einer gesteuerten Drehzahl, einer Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Wellenbaugruppe und einer Rückführsteuerung zum Halten der Wellenbaugruppe auf der gesteuerten Geschwindigkeit, wobei die Wellenbaugruppe mehrere bei der Drehung direkt auf die Wellenbaugruppe geprägte und in im wesentlichen gleichmäßig beabstandeten Intervallen um die Wellenbaugruppe angeordnete Positionsmarkierungen (12) aufweist und die Rückführsteuerung so beschaffen ist, daß sie die Markierungen (12) abtastet, um eine kontinuierliche Erfassung der Drehstellung der Wellenbaugruppe zu liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwellenbaugruppe zumindest auf einem Umfangsbereich eine Plastomerbeschichtung aufweist und die angebrachten Markierungen sich in CD-Lese-Schreib-Form auf der Beschichtung befinden.

2. Dreh Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem einzigen Kreis aus Daten, die durch eine einzige Drehung der Wellenbaugruppe in bezug auf einen Laserstrahl angebracht wurden, durch den die Daten eingeätzt wurden.

3. Dreh Vorrichtung nach Anspruch 1 mit zwei Datenkreisen, die durch zwei Drehungen der Wellenbaugruppe in bezug auf einen Laserstrahl aufgebracht wurden, durch den die Daten eingeätzt wurden, wobei einer einheitliche Daten in gleichen Abständen und der andere eine einzige Markierung enthält, um eine Orientierung bezüglich der Anfangsposition zu liefern.

4. Drehvorrichtung nach Anspruch 1 mit einem einzigen Datenimpulskreis, wobei die Impulse gleichmäßig beabstandet sind, jedoch eine Verschlüsselung enthalten, um für verschiedene Steuervorgänge in unterschiedlichen Drehstellungen die Bestimmung der Winkelposition zu ermöglichen.

5. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mehreren Impulskreisen zum Liefern von Daten für verschiedene Nutzungskalibrierungen.

6. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verschlüsselungszeilen vor dem Zusammenbau der Spiegelbauteile direkt auf den Außendurchmesser einer Bildabtasterwelle (11) oder Spindel (1) der Drehwellenbaugruppe geschrieben werden.

7. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Umfangsverschlüsselungszeilen durch einen Laser auf die Umfangsfläche der Drehwellenbaugruppe geschrieben werden, während sich die Drehwelle dreht.

8. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Umfangsverschlüsselungszeilen durch einen Laser auf einen kreisförmigen Pfad um den Umfang an der Außenkante einer Endfläche der Drehwellenbaugruppe geschrieben werden.

9. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wellenbaugruppe beim Aufdrucken der Markierungen mit einer normalen Betriebsdrehzahl gedreht wurde.

10. Drehvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Drehvorrichtung eine rotierende Abtastvorrichtung ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Drehvorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe mit mehreren zugehörigen Positionsmarkierungen (12) zur synchronisierten Steuerung von Dreh Vorgängen der Wellenbaugruppe mit den Schritten:

des direkten Prägens der mehreren Positionsmarkierungen (12) auf die Wellenbaugruppe an Positionen um und auf der Wellenbaugruppe und des Drehens der Wellenbaugruppe beim Prägen der Markierungen (12), gekennzeichnet durch die weiteren Schritte des Aufbringens einer Plastomerbeschichtung auf der Welle vor dem Schritt des Prägens der Markierungen und des Aufbringens von Daten in einer CD-Lese-Schreib-Form.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Verwendung eines Laserstrahls zum Aufbringen der Positionsmarkierungen (12).

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Drehens der Welle (11) mit einer normalen Betriebsdrehzahl beim Aufbringen der Markierungen (12).

14. Verfahren zur Herstellung einer Drehvorrichtung mit einer Drehwellenbaugruppe mit mehreren zugehörigen Positionsmarkierungen (12) zur synchronisierten Steuerung von Dreh Vorgängen der Wellenbaugruppe, gekennzeichnet durch die Schritte:

direktes Prägen der mehreren Positionsmarkierungen (12) auf die Wellenbaugruppe an Positionen um und auf die Wellenbaugruppe und Drehen der Wellenbaugruppe mit einer normalen Betriebsdrehzahl beim Aufbringen der Markierungen (12).

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt der Verwendung eines Laserstrahls zum Aufbringen der Positionsmarkierungen (12).

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch den Schritt des Aufbringens einer Plastomerbeschichtung auf der Welle vor dem Schritt des Prägens der Markierungen und des Aufbringes der Daten in CD-Lese-Schreib-Form.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die Drehvorrichtung eine rotierende Abtastvorrichtung ist.