JP5668153B2 - 回転する測定対象の絶対回転角度を記録するための測定システム - Google Patents

回転する測定対象の絶対回転角度を記録するための測定システム Download PDF

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Description

本発明は、回転する測定対象の絶対回転角度を記録するための測定システムに関する。
軸の全ての可算回転数を高分解能で測定するための1次元、2次元、もしくは多次元の差動トランスミッションが、DE 198 21 467 A1から知られている。1次元の最も単純な場合では、差動トランスミッション、つまり2つのギアだけが使用される。これらの2つのギアは、歯数が1ずつ異なる。ギアのうちの1つは、測定される軸に対して直接マウントされ、第二のギアを駆動する。互いに関連のある2つのギアの角度位置に基づいて、軸の回転数を決定することができる。
3つのギアを有する二次元の差動トランスミッションが、さらにDE 198 21 467 A1に開示されている。2つの他のギアが第一のギアによって直接および/もしくは間接的に駆動される一方、第一のギアは測定される軸に再び対応付けられている。基本的な組み合わせを介して、ギアの異なる回転数に対する結果、個々のギアの定義された歯数の場合に可能なこと、全ての可算回転数が確認される。全ての可算回転数に関して、一意性を達成するために、基本的な組み合わせの標準化されたベース値が異なる回転数に対して計算されて、二次元アレイに格納される。その場合、標準化されたベース値は、それに基づいて、全ての可算回転数を確認することができる、メモリ座標として機能する。既知の解決法の不都合な点は、その分解能が1回の加算回転の近傍に及ぶことである。既知の解決法として、測定対象の軸の正確な角度位置を決定することは現在不可能である。
アクチュエータと関連して、高分解能、多回転スプールギアトランスミッションが、絶対回転角度測定用に知られている。既知のスプールギアトランスミッションの場合には、お互いに結合された多数のトランスミッションステージが適用される。多回転スプールギアトランスミッションの望ましい解決法の場合には、23個のギアおよび5個の位置センサが適用される。個々のトランスミッションステージは、順々に配置された個々のトランスミッションステージにおけるスラック(弛み)を最小限化するために、高精度で製造されなければならない。
本発明の目的は、回転する測定対象の絶対回転角度を記録するための単純かつ対費用効果の高い測定システムを提供することである。
本目的は、測定対象の軸に対応付けられた第一のギアを含む機構によって達成され、第一のギアは、少なくとも第二のギアおよび第三のギアと直接的もしくは間接的にかみ合い、個々のギアの歯数はお互いに異なる。さらに、各ギアと対応付けられた回転角度センサが存在し、回転角度センサは対応付けられたギアの回転角度を記録する。また、計算ユニットが提供される。計算ユニットは、少なくとも第一のギアと第二のギアの回転角度間の差と、第一のギアと第三のギアの回転角度間の差を確認し、ギアの確認された回転角度の差を合計することによって、全ての可算回転数および測定対象の軸の残余回転角度を決定する。さらには、確認された回転角度の差の合計の傾きに対する標準化が実施されるとき、それが好都合である。
本発明の測定システムは、軸の全ての可算回転数の評価と併せて、測定対象の軸の現在の正確な角度位置を測定することを可能にする。
本発明の差動、移動センサは、望ましくはお互いに結合された3つのギアを含み、ギアは異なる歯数を有する。ギアは、スプールギア(平歯車)としておよび/もしくは内部の歯車としておよび/もしくは歯付きベルトとしておよび/もしくはスプロケットとしておよび/もしくは摩擦車として具現化することができる。摩擦車の場合には、歯数の差は、正の整数に限定されない。ここで、歯数の差は、概して、1よりも大きいか、または1と等しい任意の正の実数に対応する可能性がある。
本発明の差動、移動センサは、トランスミッションステージにおけるスラックに伴う問題を大部分排除することができる。本発明の測定システムの場合におけるトランスミッションステージの数は、既知の解決法と比較して顕著に減少し、本発明の測定システムは対費用効果が高く、かつ小型に実装することができる。さらには、問題なく回転する測定対象の軸に接続することができる。本発明の測定システムに特に関連する利点は、測定システムの調整および機能検査に対するものであって、例えば、製造中に、3つ全てのギアの一度の回転で十分であることである。したがって、測定システムの機能テストもまた迅速かつ、大した苦労なく実施することができる。
本発明の測定システムの有利な一実施形態は、個々のギアの回転角度の記録用に、光学的、磁気的および/もしくは電気機械的回転角度センサが適用されるように提供される。さらに、望ましくは、ホールセンサが使用される。
既に上述されたように、回転角度センサは、各場合においては、全てのギアの回転角度を、度の単位で記録する。第二のギアと第一のギアの回転角度間の差および第三のギアと第一のギアの回転角度間の差は、第一のギアが固定された測定対象の軸の全ての可算回転数を確認するために使用される。さらに、望ましくは、実際には、第一のギアと第二のギアの歯数の差および第一のギアと第三のギアの歯数の差は、各場合において1に等しいように、ギアの歯数は、1ずつ異なる。例えば、第一のギアが測定対象の軸に対応付けられ、かつ、歯数が25である場合、第二のギアの歯数は26であり、第三のギアの歯数は24である。
第二のギアに対する第一のギアの歯数の差および第三のギアに対する第一のギアの歯数の差によって、その差はdZに等しく、dZとは、1より大きいかまたは1に等しく、測定システムの総角度回転は、n個のメインセクションに分割される。その場合には、nは1よりも大きいかまたは1に等しい。
計算ユニットは、ギアの相対位置に基づいてメインセクションに対応付けられた対応する絶対角度を確認する。
さらには、本発明の測定システムに関連して、計算ユニットは、以下の方法におけるサブ分解能SRを使用して絶対回転角度を決定する場合には、多回転分解能TurnResを確認するように提供される。ここで、SRはメインセクションの角度回転である。
このような場合には、TurnRes∈N,n∈N,SR∈QならびにTurnRes≧SRであり、TurnResは、可能な最小のnの場合における多回転分解能である。ここで、Nは自然数全体の集合を表し、Qは有理数全体の集合を表す。
本発明の測定システムの望ましい一実施形態は、測定対象の軸に対応付けられたギアの角度センサが、直接、残余回転角度、即ち、単一回転分解能を記録することを提供する。あるいは、全ての可算回転を計算する場合に、計算ユニットが残余回転角度、即ち単一回転分解能を小数部分に基づいて決定するように一実施形態が提供され、SumDiffの傾きを標準化するために望ましくは、以下の方程式が使用される。
ここで、zMS≦nであり、zMSは対応する絶対角度に対応付けられたメインセクションMSである。Turnのうちの全ての可算部分は、測定対象の軸の全回転数であり、小数部分は残余回転角度を示す。SumDiffは、個々のギアZ1、Z2、Z3の回転角度φZ1、φZ2、φZ3の差の合計であって、以下の式に従って計算される。
回転角度記録中に生じる測定システムのトランスミッションの不正確性およびスラックを補償するために、本発明の測定システムの有効な一実施形態は、以下を備える。計算ユニットは、測定システムの角度分解能を、第二および第三のギアの確認された回転角度の生成する差によって除算して、サブセクションSSとする。この場合には、サブセクション数は第一のギアの歯数に依存する。特に、サブセクションSSの傾きは、メインセクションMSおよびメインセクションzMSの其々の傾きよりも大きい。
望ましくは、本発明の測定システムは、制御構成要素、アクチュエータ、オートメーション技術もしくは製造技術の場合に其々適用される。無論、本発明の測定システムはこのような用途に限定されるものではない。本発明の測定システムは、例えば、印刷機および乗用車にも使用することができる。
本発明の測定システムを制御構成要素、アクチュエータに対して其々使用する場合には、測定対象は、望ましくは、アクチュエータドライブの駆動軸および/もしくは出力軸であり、それらは流れ制御機構を発動するのに役立つ。さらに、駆動軸は発動構成要素と接続される。発動構成要素は、電気モータおよび/もしくは調整ホイール、ハンドホイールである。流れ制御機構は出力軸と結合される。電気モータの高いRPMを流れ制御機構の比較的低いRPMへと減少させる目的で、多くの用途の場合には、通常、減速トランスミッションが、発動構成要素と流れ制御機構との間に配置される。
本発明は添付の図面に基づいて、以下により詳細に説明される。図面は以下のように示される。
制御構成要素、アクチュエータ其々の概略図。 本発明の測定システムの一実施形態の概略図。 一つのメインセクションが存在するときの、多回転分解能を示す第一のグラフ。 二つのメインセクションの場合における多回転分解能を示す第二のグラフ。
発明の詳細な説明
図1は、流れ制御機構2を発動するための制御構成要素1、アクチュエータ1の其々の概略図である。流れ制御機構2は、例えば、バルブ、ゲート、絞り弁、もしくはバッフルである。
制御構成要素1、アクチュエータ1の其々は、通常、対応するセンサシステム10を備えた電気モータ3と、対応するセンサシステム11を備えたアクチュエータドライブ4と、減速トランスミッション5と、流れ制御メカニズム2によって構成される。アクチュエータ1の制御は、上位制御ユニット12によって生じる。制御ユニット12はアクチュエータドライブ4に組み込むことができ、アクチュエータドライブ4に構築することができるか、または、個別のコンポーネントとして具現化することができる。アクチュエータドライブ4は、概してプロセス産業において使用され、特にプロセスにおいて、製品が、化学的、物理的もしくは生物学的手順の適用によって、原材料もしくは出発原料から製造され、流れ制御機構2は、低いRPM(4−180回転/分)の場合に高いトルク(30−630,000Nm)を伝達できる方法で設計され、伝達されたトルクは、回転角度が小さい場合でも、一定の高さでなければならない。
電気モータ3と流れ制御機構2との間のトルク伝達は、減速トランスミッション5を介して生じる。減速トランスミッション5は、電気モータ3の高いRPMを、流れ制御機構2を発動するために、所望の一定の高さの出力のRPMへと変換するために必要である。
異なるトランスミッションを、減速トランスミッション5に対して適用することができる。その例は、傘歯車トランスミッション、平歯車トランスミッション、ウォームギアトランスミッション、重畳トランスミッション、もしくはレバートランスミッションを含みうる。回転ドライブの場合におけるトルク範囲は、32,000Nmのトルクレベルに達し、360度より小さい範囲を備えた回転ドライブの場合には、630,000Nmまでのトルクを実行することができる。
プロセス自動化の安全基準を満たすために、アクチュエータは、個別に発動可能な調整ホイール6を介して緊急時に動作可能でなければならない。調整ホイール6は、さらに、機能不良に続くアクチュエータドライブ4の起動、再開、其々の場合にも使用される。調整ホイール6は、通常ハンドホイールであり、操作する人によって手動で動作可能であり、それによって流れ制御機構2は所望の位置へと移動させることができる。
個別の手動動作およびモータ動作の目的で、(図1には個別に図示されていない)結合機構が提供される。結合機構は、通常、モータ動作においては、電気モータ3が出力軸7と直接結合され、かつ、調整ホイール6は結合されないように、一方、手動動作においては、出力軸7は調整ホール6と結合され、かつ、電気モータ3が結合されないように、具現化される、および/もしくは配置される。この方法においては、モータ動作および手動動作の間の分離が提供される。特に、当該結合機構は、アクチュエータドライブ4がモータ動作で動作すると即座に、調整ホイール6が駆動軸8に対して自動的に非結合となるような方法で具現化される。モータ動作は従って、手動動作よりも優先される。対応するアクチュエータドライブ4は、譲受されると使用可能である。
駆動軸8もしくは出力軸7の回転角度φZ1の記録は、本発明の測定システムを介して生じ、本発明の測定システムは、添付の図面に基づいてより詳細に記述される。図1における符号Iおよび符号IIは、本発明の測定システムが制御構成要素1において取り付けられる可能性のある異なる位置を示している。位置Iにしたがう測定システムの位置付けが、ピボットドライブの使用に関して望ましく、位置IIにしたがう測定システムの位置付けは回転ドライブの使用に関して望ましい。
図2は、本発明の測定システムの一実施形態の概略図であり、お互いに結合された3つのギアZ1、Z2、Z3で構成され、ギアZ1は歯数がz1、ギアZ2は歯数がz2、ギアZ3は歯数がz3である。ギアZ1、Z2、Z3の歯数z1、z2、z3はお互いに異なる。特に、ギアZ1とギアZ2の歯数の差と、ギアZ1とギアZ3の歯数の差は、其々、各々の場合において1である。図示された場合においては、ギアZ1は、回転する測定対象の軸8、9に対応付けられる。ギアZ2、Z3はギアZ1と直接かみ合っている。
各ギアZ1、Z2、Z3に対応付けられているのは、回転角度センサD1、D2、D3であり、D1、D2、D3は対応付けられたギアZ1、Z2、Z3の回転角度φZ1、φZ2、φZ3を記録する。個々のギアZ1、Z2、Z3の回転角度φZ1、φZ2、φZ3は、光学的、磁気的および/もしくは電気機械的回転角度センサD1、D2、D3を介して記録される。
さらには、計算ユニット13が提供され、少なくとも、第二のギアZ2の回転角度と第一のギアZ1の回転角度の間の差φZ1−φZ2、ならびに、第三のギアZ3の回転角度と第一のギアZ1の回転角度の間の差φZ1−φZ3を確認する。計算ユニット13は、ギアZ1、Z2、Z3の確認された回転角度φZ1、φZ2、φZ3の差φZ1−φZ2,φZ1−φZ3の合計の生成SumDiff=(φZ1−φZ2)+(φZ1−φZ3)に基づいて、測定対象の軸の残余回転角度φZ1と、全ての可算回転数を決定する。
計算ユニット13は、望ましくは以下の式を介して決定されるサブ分解能SRを利用して、回転する測定対象の軸の絶対回転角度φZ1を決定する場合に、多回転分解能を確認する。
測定対象の軸8に対応付けられたギアZ1の角度センサD1は、望ましくは直接的に残余回転角度φZ1を記録する。あるいは、計算ユニット13は、全ての可算回転を計算するときには、小数部分に基づいて、残余回転角度φZ1を決定する。その場合、望ましくは以下の式が使用される。

図3は、一つのメインセクションMS、したがってn=1である多回転分解能TurnRes示すグラフを示す。x軸にプロットされているのは、全ての可算回転数であり、y軸にプロットされているのは、度の単位における個々のギアの回転角度の差である。図示された場合においては、312回の全ての可算回転がメインセクションごとに実施される。全ての可算回転はギアZ1、Z2、Z3の回転角度φZ1、φZ2、φZ3の差の合計、SumDiffに基づいて一意的に確認することができる。
図4と同様に図3にさらに示されているのは、第一のギアZ1、第二のギアZ2、第三のギアZ3の確認された回転角度φZ1、φZ2、φZ3の角度差φZ1−φZ2、φZ2−φZ3、φZ1−φZ3である。対応する曲線(直線)は、異なる傾きを有し、それによって、測定システム9の多回転分解能TurnResはサブセクションSSに分割される。曲線φZ2−φZ3の第一のサブセクションは、例示の目的のために図3に指定されている。曲線φZ2−φZ3のサブセクションSSの数は、第一のギアZ1の歯数z1に依存する。第一のギアZ1の歯数z1は25個であるため、曲線φZ2−φZ3の25個のサブセクションSSが存在する。ギアZ1、Z2、Z3の歯数z1、z2、z3は、i=1,・・・nのサブセクションSSの傾きが、メインセクションMSの傾きよりも大きいように選択される。第一、第二および第三のギアZ1、Z2、Z3の回転角度の差φZ2−φZ3、φZ1−φZ2、φZ1−φZ3を其々示す曲線に基づいて、分解能はより精密にされ、測定対象の軸8の残余回転角度φZ1を決定することができる。
図4は、二つのメインセクションMSを備える多回転分解能TurnResを示すグラフを示す。この場合においては、計算ユニット13は、第二のギアZ2に対する第一のギアZ1の歯の数の差、第三のギアZ3に対する第一のギアZ1の歯数の差(当該差はdZに等しく、dZは1より大きいか、1に等しい)によって、測定システム9の総回転分解能を除算してn個のメインセクションMSとする。さらには、計算ユニット13は、ギアZ1、Z2、Z3のそれぞれの部分φZ1、φZ2、φZ3に基づいて、対応付けられたメインセクションzMSを確認する。
[参照符号リスト]
1 制御構成要素/アクチュエータ
2 バルブ
3 電気モータ
4 アクチュエータドライブ
5 減速トランスミッション
6 調整ホイール/ハンドホイール
7 出力軸
8 駆動軸
9 絶対回転角度を決定するための測定システム
10 センサシステム電気モータ
11 センサシステムアクチュエータ
12 上位制御ユニット
13 計算ユニット
dZ 第二のギアに対する第一のギアの歯数の差および第三のギアに対する第一のギアの歯数の差
φZ1 ギアZ1の回転角度
φZ2 ギアZ2の回転角度
φZ3 ギアZ3の回転角度
z1 ギアZ1の歯数
z2 ギアZ2の歯数
z3 ギアZ3の歯数
Z1 第一のギア
Z2 第二のギア
Z3 第三のギア
D1 第一のギアの角度センサ
D2 第二のギアの角度センサ
D3 第三のギアの角度センサ
MS メインセクション
n メインセクションの数
zMS 絶対角度に対応付けられたメインセクション
SS サブセクション
nSS サブセクションの数
SumDiff ギアの回転角度の差の合計
SR メインセクションMSの角度分解能
TurnRes 多回転分解能
Turn Turnの全ての可算部分は測定対象の軸の全回転数に対応し、小数部分は残余回転角度を示す

Claims (11)

  1. 回転する測定対象の絶対回転角度(φ)を記録するための測定システム(9)であって、第一のギア(Z1)は、前記測定対象の軸(8)に対応付けられ、前記第一のギア(Z1)は直接的もしくは間接的に、少なくとも第二のギア(Z2)および第三のギア(Z3)とかみ合い、前記個々のギア(Z1、Z2、Z3)の歯数(z1、z2、z3)はお互いに異なり、各ギア(Z1、Z2、Z3)に対応付けられた回転角度センサ(D1、D2、D3)が存在し、前記回転角度センサは前記対応付けられたギア(Z1、Z2、Z3)の回転角度(φZ1、φZ2、φZ3)を記録し、計算ユニットが提供され、前記計算ユニットは、前記第二のギア(Z2)と前記第一のギア(Z1)の前記回転角度間の差(φZ1−φZ2)ならびに前記第三のギア(Z3)と前記第一のギア(Z1)の前記回転角度間の差(φZ1−φZ3)を少なくとも確認して、前記複数のギア(Z1、Z2、Z3)の前記確認された複数の回転角度(φZ1、φZ2、φZ3)の前記差(φZ1−φZ2、φZ1−φZ3)の合計(SumDiff=(φZ1−φZ2)+(φZ1−φZ3))に基づいて、全ての可算回転数ならびに前記測定対象の前記軸の残余回転角度(φZ1)を決定する、ことを特徴とする測定システム。
  2. 光学的、磁気的および/もしくは電気機械的な複数の回転角度センサ(D1、D2、D3)が、前記個々のギア(Z1、Z2、Z3)の前記複数の回転角度を記録するために適用される、ことを特徴とする請求項1に記載の測定システム。
  3. 前記複数のギア(Z1、Z2、Z3)の前記歯数(z1、z2、z3)が望ましくは1ずつ異なり(dZ=1)、歯数(z1−z2もしくはz1−z3)の前記差(dZ)が各々の場合に1に等しい、ことを特徴とする請求項1もしくは2に記載の測定システム。
  4. 前記計算ユニット(13)は、
    の方法でサブ分解能(SR)を使用して前記絶対回転角度を決定するために、多回転分解能(TurnRes)を確認し、ここで、TurnRes∈N、n∈N、SR∈QならびにTurnRes≧SRであって、TurnResは可能な最小のnの場合における前記多回転分解能である、ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の測定システム。
  5. 前記測定対象の前記軸(8)に対応付けられた前記ギア(Z1、Z2、Z3)の前記角度センサ(D1)は、前記残余回転角度(φZ1)を直接記録するか、または、前記計算ユニット(13)は、前記全ての可算回転(多回転)を計算する場合には、小数部分に基づいて前記残余回転角度(φZ1)を決定し、望ましくは、
    の式が使用され、ここで、zMS≦nであって、SumDiffは前記個々のギアZ1、Z2、Z3の前記回転角度φZ1、φZ2、φZ3の前記差の前記合計であり、即ち、
    である、ことを特徴とする請求項1、2もしくは3のいずれかに記載の測定システム。
  6. 前記計算ユニット(13)は、前記測定システム(9)の多回転分解能(TurnRes)を、前記第二のギア(Z2)および第三のギア(Z3)の前記確認された回転角度(φZ1、φZ2、φZ3)の生成する差によって除算してサブセクション(SS)とし、前記サブセクション(SS)の数は前記第一のギア(Z1)の前記歯数(z1)に依存し、前記サブセクション(SSi、i=1,・・・n)の傾きはメインセクションの傾きよりも大きい、ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の測定システム。
  7. 前記計算ユニット(13)は、前記第一のギア(Z1)および前記第二のギア(Z2)ならびに前記第一のギア(Z1)および前記第三のギア(Z3)の前記確認された回転角度の生成する差(φZ1−φZ2、φZ1−φZ3)によって、前記測定システム(1)の多回転分解能(TurnRes)を除算してサブセクション(SS)とし、前記サブセクション(SS)の傾はメインセクション(MS)の傾きよりも大きい、ことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の測定システム。
  8. 前記計算ユニット(13)は、前記第二のギア(Z2)に対する前記第一のギア(Z1)ならびに前記第三のギア(Z3)に対する前記第一のギア(Z1)の歯数の差(dZ)によって、前記測定システム(9)の合計の多回転分解能を除算して、n個のメインセクション(MS)とし、ここで前記差はdZに等しく、dZは1よりも大きいかまたは1に等しく、前記計算ユニット(13)は、前記複数のギア(Z1、Z2、Z3)の前記其々の位置(φZ1、φZ2、φZ3)に基づいて、関連するメインセクション(MSn)を確認する、ことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の測定システム。
  9. 前記測定対象は、流れ制御機構(2)を発動するためのアクチュエータドライブ(4)の駆動軸(8)および/もしくは出力軸(7)であり、前記駆動軸(8)は、発動構成要素(3;6)に接続され、前記流れ制御機構(2)は、前記出力軸(7)に接続され、減速トランスミッション(5)は、前記発動構成要素(3;6)および前記流れ制御機構(2)の間に提供される、ことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の測定システム。
  10. 前記発動構成要素は電気モータ(3)もしくは調整ホイール(6)である、ことを特徴とする請求項9に記載の測定システム。
  11. 前記複数のギア(Z1、Z2、Z3)は、複数のスプールギア(平歯車)としておよび/もしくは内部の歯車としておよび/もしくは歯付きベルトとしておよび/もしくはスプロケットとしておよび/もしくは摩擦車として具現化されている、ことを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の測定システム。
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