KR102330201B1 - 회전 샤프트들 및 커플링들의 매개변수들을 측정하기 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents

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Abstract

회전 샤프트들 및 커플링들의 변위 매개변수들을 측정하기 위한 시스템들 및 방법들이 개시된다. 일부 양태들에서, 측정 시스템은 길이 방향으로 연장되는 샤프트 및 샤프트와 회전하도록 구성되는 타겟 휠을 포함한다. 타겟 휠은 타겟 휠 주위에 원주 방향으로 분포되는 센서 타겟들을 포함한다. 타겟들 중 일부는 길이 방향으로 비스듬하며, 그리고 타겟들 중 일부는 길이 방향에 대해 평행하다. 측정 시스템은 샤프트 주위에 반경 방향으로 장착되고 그리고 타겟 휠이 상기 샤프트와 회전함에 따라 센서 타겟들을 검출하도록 구성되는 적어도 3개의 센서들을 포함하는 센서 어레이(sensor array)를 포함한다. 측정 시스템은 센서들로부터 센서 신호들을 수신하고 그리고, 센서 신호들에 기초하여, 적어도 길이 방향으로의 샤프트의 축방향 변위 측정 및 샤프트의 반경 방향 변위 측정을 결정하도록 구성되는 제어기를 포함한다.

Description

회전 샤프트들 및 커플링들의 매개변수들을 측정하기 위한 방법들 및 시스템들
[0001] 본 출원은 2017년 4월 17일자로 출원된, 미국 가특허 출원 일련 번호 제62/486,170호의 이익을 주장하고, 이 출원의 개시는 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.
[0002] 본 명세서에서 설명되는 청구 대상은 회전 샤프트들 및 커플링들의 변위 매개변수들을 측정하기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
[0003] 많은 유형들의 시스템들은 회전가능한 샤프트를 포함한다. 예를 들어, 제조 시스템들 그리고 차량들의 전동기들, 내연 기관들, 및 변속기들은 통상적으로 하나 이상의 구동 샤프트들을 포함한다. 샤프트들은 회전 커플링들과 함께 커플링될 수 있으며, 그리고 일부 회전 커플링들은 가요성이 있다. 예를 들어, 벨로즈 커플링들(bellows couplings)은 2개의 샤프트들 사이의 트위스팅(twisting) 및 오정렬을 허용한다. 회전 커플링들을 모니터링하기 위한 통상적인 측정 시스템들은, 예컨대, 커플링 주위에 각도가 있게(angularly) 이격되는 센서들을 사용하여 회전 커플링들에서 비틀림, 토크, 및 오정렬을 측정한다. 그러나, 이러한 통상적인 측정 시스템들은, 토크 신호에 대한 과도한 소음을 가질 수 있으며, 그리고 다양한 통상적인 측정 시스템들은, 비틀림, 토크, 및 오정렬뿐만 아니라 축방향 변위와 같은 다른 매개변수들을 측정하기 위한 경제적인 시스템이 없다. 회전 샤프트들 및 커플링들의 비틀림 및 축방향 변위를 측정하기 위한 방법들 및 시스템들에 대한 필요가 존재한다.
[0004] 일부 양태들에서, 측정 시스템은 길이 방향으로 연장되는 샤프트 및 샤프트와 회전하도록 구성되는 타겟 휠을 포함한다. 타겟 휠은 타겟 휠 주위에 원주 방향으로 분포되는 센서 타겟들을 포함한다. 타겟들 중 일부는 길이 방향으로 비스듬하며, 그리고 타겟들 중 일부는 길이 방향에 대해 평행하다. 측정 시스템은 샤프트 주위에 반경 방향으로 장착되고 그리고 타겟 휠이 상기 샤프트와 회전함에 따라 센서 타겟들을 검출하도록 구성되는 적어도 3개의 센서들을 포함하는 센서 어레이(sensor array)를 포함한다. 측정 시스템은 센서들로부터 센서 신호들을 수신하고 그리고, 센서 신호들에 기초하여, 적어도 길이 방향으로의 샤프트의 축방향 변위 측정 및 샤프트의 반경 방향 변위 측정을 결정하도록 구성되는 제어기(controller)를 포함한다.
[0005] 일부 양태들에서, 측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법은, 센서 어레이 상의 샤프트 주위에 반경 방향으로 장착되는 적어도 3개의 센서들 각각으로부터 센서 신호들을 수신하는 단계를 포함한다. 샤프트는 길이 방향으로 연장되며, 그리고 센서 어레이는, 타겟 휠이 샤프트와 회전함에 따라 타겟 휠 주위에 원주 방향으로 분포되는 복수의 센서 타겟들을 검출하기 위해 적어도 3개의 센서들을 위치결정하도록 구성된다. 센서 타겟들은 길이 방향으로 비스듬한 제1 복수의 타겟들 및 길이 방향에 대해 평행한 제2 복수의 타겟들을 포함한다. 본 방법은 센서 신호들에 기초하여, 적어도 길이 방향으로의 샤프트의 축방향 변위 측정 및 샤프트의 반경 방향 변위 측정을 결정하는 것을 포함한다.
[0006] 도 1a 내지 도 1f는 샤프트들 및 커플링들의 매개변수들을 측정하는 측정 시스템을 위한 예시적인 기계적 환경을 예시한다.
[0007] 도 2는 센서들로부터 센서 신호들을 수신하도록 구성되는 제어기의 블록도이다.
[0008] 도 3은 센서들 중 하나로부터 예시적인 파형의 그래프를 도시한다.
[0009] 도 4는 비스듬한 타겟들(slanted targets)을 갖는 예시적인 타겟 휠을 도시한다.
[0010] 도 5a 및 도 5b는 비스듬한 타겟들을 가지는 타겟 휠을 위한 예시적인 축방향 타겟 패턴을 도시한다.
[0011] 도 6a 및 도 6b는 비스듬한 타겟들을 가지는 타겟 휠을 위한 상이한 예시적인 축방향 타겟 패턴을 도시한다.
[0012] 도 7은 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들을 사용하여 결정될 수 있는 다양한 유형들의 샤프트 또는 커플링 정렬들을 예시한다.
[0013] 도 8a 및 도 8b는 예시적인 타겟 평면을 참조하여 변수들을 예시한다.
[0014] 도 8c는 2개의 센서들 사이의 위상차를 예시하는 예시적인 센서 파형들을 도시한다.
[0015] 도 8d 내지 도 8h는 비틀림 각도를 결정하기 위한 타겟 타이밍 측정들의 사용을 도시한다.
[0016] 도 9a 내지 도 9d는 샤프트 상에 2개의 타겟 휠들을 가지는 예시적인 샤프트를 예시한다.
[0017] 본 명세서는, 회전 샤프트들 및 커플링들의 변위 매개변수들을 측정하기 위한 시스템들 및 방법들을 설명한다. 매개변수들은, 예를 들어 그리고 제한 없이, 샤프트들 및 커플링들의 반경 방향 평면에서의 회전 샤프트들 및 커플링들의 비틀림, 축방향 변위, 및 반경 방향 변위를 포함할 수 있다. 측정들은 비틀림 측정(twist measurement), 평행 및 각도 오정렬, 축방향 변형률 및 변위, 런-아웃(run-out), 월(whirl), 및 비틀림 역학에 기초하여 토크를 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 회전 커플링들과 함께, 예컨대, 안전성 목적들을 위해 그리고 유지보수 스케쥴링을 위해, 고속들로 회전하면서, 고속 기계장치가 상당한 오정렬 및/또는 축방향 변위들을 겪고 있지 않는 것을 보장하는 것은 유용하다. 이들은 커플링의 축방향 및 굽힘 변형률들에 대응하지만, 회전 프레임 전자장치들 또는 계기들을 요구하지 않는 부가적인 이익을 갖는다.
[0018] 도 1a 내지 도 1f는 샤프트들 및 커플링들의 매개변수들을 측정하는 측정 시스템들을 위한 예시적인 기계적 환경(100)을 예시한다. 기계적 환경(100)은 샤프트(102) 및 상이한 샤프트들에 대한 2개의 회전 커플링들(104a 및 104b)을 포함한다. 회전 커플링들(104a 및 104b)은 일반적으로 샤프트들 사이에서 일부 비틀림 및 오정렬을 허용하는 가요성 커플링들이다. 예를 들어, 회전 커플링들(104a 및 104b)은 일부 실시예들에서 벨로즈 커플링들(bellows couplings)이다. 다른 실시예들(미도시됨)에서, 2개의 회전 커플링들(104a 및 104b)은 강성 커플링, 반강성 커플링 또는 가요성 커플링일 수 있다.
[0019] 도 1a 내지 도 1f의 기계적 환경(100)은 2개의 회전 커플링들(104a 및 104b)을 포함하지만; 일반적으로, 전술된 바와 같은 측정 시스템은 하나의 커플링을 갖는 기계적 환경들에서 또는 2개 초과의 커플링들을 갖는 기계적 환경들에서 사용될 수 있다. 일부 예들에서, 측정 시스템은 샤프트 세그먼트와 함께 사용되며, 즉 여기서 커플링은 존재하지 않는다.
[0020] 도 1a는 기계적 환경(100)의 사시도를 도시한다. 예시되는 바와 같이, 기계적 환경(100)은 센서들의 적어도 2개의 평면들 및 각각의 평면에 적어도 3개의 센서들을 포함한다. 도 1a에서 예시되는 바와 같이, 센서들의 2개의 제1 평면들은 센서 어레이들(106, 108)을 포함하며, 그리고 센서들의 2개의 제2 평면들은 센서 어레이들(110, 112)을 포함한다. 부가의 센서 어레이들은 필요하다면 부가될 수 있다. 모든 센서 어레이들(106, 108, 110, 112)은 샤프트(102)에 접촉하지 않고 샤프트(102)에 근접하게 위치결정되어, 도 1b에서 예시되는 공기 갭과 같은 공간을 생성하고, 그리고 일반적으로 샤프트와 회전하지 않는다. 제1 센서 어레이(106)는 제1 회전 커플링(104a)의 제1 단부(132)에 배치되는 것으로 예시되며, 그리고 제2 센서 어레이(108)는 제1 회전 커플링(104a)의 제1 단부(132) 반대편에 있는 제2 단부(134)에 배치되는 것으로 예시된다. 유사하게는, 제3 센서 어레이(110)는 제2 회전 커플링(104b)의 제1 단부(136)에 배치되는 것으로 예시되며, 그리고 제4 센서 어레이(112)는 제2 회전 커플링(104b)의 제1 단부(136) 반대편에 있는 제2 단부(138)에 배치되는 것으로 예시된다. 센서 어레이는 샤프트(102)를 에워싸는 구조물, 예컨대 하우징 또는 보호판(shroud)을 기계가공하기 위해 부착될 수 있거나, 센서는 크래들(cradle)(미도시됨)에 부착될 수 있다.
[0021] 각각의 센서 어레이는 샤프트(102) 주위에 반경 방향으로 장착되는 센서들을 포함한다. 예시의 목적을 위해, 제1 센서 어레이(106)는 더 상세히 설명될 것이며; 다른 센서 어레이들(108, 110, 112)은 통상적으로, 제1 센서 어레이(106)와 동일하게 또는 유사하게 구성된다. 임의의 부가의 센서 어레이들은 유사하게 구성될 것이다. 제1 센서 어레이(106)는 샤프트(102) 주위에 반경 방향으로 장착되는 제1 평면에 적어도 3개의 센서들(114a, 114c, 114e)을 포함한다. 예를 들어, 제1 센서 어레이(106)는 일정한 원주 방향 간격으로 균일하게 장착되는 3개의 센서들(114a, 114c 및 114e)을 포함할 수 있다. 부가의 리던던시(redundancy)를 위해, 제1 센서 어레이(106)는 또한, 다른 3개의 센서들(114a, 114c, 및 114e)로부터 일정한 원주 방향의 간격으로 그리고 오프셋되어 균일하게 장착되는 3개의 부가의 센서들(114b, 114d, 및 114f)을 포함할 수 있다. 도면들에서 예시되는 바와 같이, 리던던트(redundant)인 센서들(114b, 114d, 및 114f)은 이러한 센서들을 예시하기 위해 파선들로 도시된다. 일반적으로, 제1 센서 어레이(106)는 각각의 평면에서 적어도 3개의 센서들을 포함할 수 있고 그리고 신뢰도, 정확도, 안전성-중요 리던던시 등을 개선시키기 위해 임의의 수의 부가의 센서들을 포함할 수 있다. 게다가, 센서들은 비균일한 원주 방향 간격을 포함하는 임의의 원주 방향 패턴으로 장착될 수 있다.
[0022] 도 1b는 센서(114a 내지 114f)의 평면도를 도시하며, 그리고 도 1c는 회전 커플링(104a)의 제1 단부(132)에서의 제1 타겟 휠(116) 및 회전 커플링의 제2 단부(134)에서의 제2 타겟 휠을 포함하는 제1 회전 커플링(104a)의 측면도를 도시한다. 도 1b는, 센서들(114a 내지 114f)이 샤프트(102)의 반경 방향 평면(128)에서 반경 방향으로 장착되는 것을 예시하며, 그리고 도 1c는, 샤프트(102)가 길이 방향(126)으로 연장하는 것 그리고 제1 회전 커플링(104a)이 상이한 샤프트(130)로 샤프트(102)를 커플링하는 것을 예시한다.
[0023] 도 1c를 참조하면, 타겟 휠들(116, 118) 각각은 샤프트(102) 주위에 반경 방향으로 장착되는 타겟 휠들(116, 118) 상에서 예시되는 치형부들과 같은 센서 타겟들을 포함한다. 예시의 목적을 위해, 제1 타겟 휠(116)은 더 상세히 설명될 것이다. 타겟 휠(118)은 통상적으로 제1 센서 어레이와 동일하게 또는 유사하게 구성된다. 제2 회전 커플링(104b)은 통상적으로 제1 회전 커플링(104a)과 동일하게 또는 유사하게 구성되는 타겟 휠들을 포함한다.
[0024] 제1 타겟 휠(116)은, 제1 타겟 휠(116)이 샤프트(130)에 견고하게 고정되도록 샤프트(130)와 회전하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 타겟 휠(116)은 일부 실시예들에서 제1 회전 커플링(104a)과 견고하게 통합된다. 이러한 예에서, 제1 타겟 휠(116)은 타겟 휠 주위에 반경 방향으로 장착되는 치형부들을 가지는 치형식 휠이다. 예시된 예에서, 제1 타겟 휠(116)은 길이 방향(126)에 대해 평행한 타겟들을 포함하며, 예컨대, 타겟(120) 및 길이 방향(126)으로 비스듬한 타겟들, 예컨대, 타겟들(122, 124)을 포함한다. 대안적으로, 타겟들은 슬롯들, 또는 센서 어레이들에 의해 검출가능한 다른 피처들일 수 있다.
[0025] 예들 중 일부에서, 비스듬한 타겟들 중 일부, 예컨대, 타겟(122)은, 다른 비스듬한 타겟들 중 일부, 예컨대, 타겟(124)에 대해, 길이 방향(126)으로, 반대편 배향들로 비스듬하다. 일반적으로, 타겟들은 교번 유형으로 제1 타겟 휠(116) 주위에 반경 방향으로 배치된다. 도 1c에서 예시되는 예에서, 제1 센서 휠(116)은, 샤프트(130) 주위에 반경 방향으로, 제1 배향으로 비스듬한, 비스듬한 타겟으로 이어지는 2개의 평행한 타겟들, 그 후 제1 배향의 반대인 제2 배향으로 비스듬한, 비스듬한 타겟이 이어지는 2개의 평행한 타겟들을 포함하며, 그리고 이후에는 반복된다.
[0026] 도 1b를 참조하면, 센서들(114a 내지 114f)은 제1 타겟 휠(116) 주위에 반경 방향으로 장착되고 그리고 타겟 휠(116)이 샤프트(130)와 회전함에 따라 센서 타겟들을 검출하도록 구성된다. 예시적인 일 실시예에서, 센서들(114a 내지 114f)은 샤프트 비틀림 또는 축방향 및 반경 방향 변위를 추정하기 위해 타겟 통로의 타이밍(timing)을 측정하기 위해 사용될 수 있다.
[0027] 센서 타겟들은, 예를 들어, 일부 실시예들에서 제1 타겟 휠(116) 상의 전도성 타겟들, 광학 타겟들, 철을 함유한(ferrous) 타겟들, 또는 이들의 조합이다. 각각의 센서들(114a 내지 114f)은 적어도, VR(variable reluctance) 센서와 같은 수동 유도 센서(passive inductive sensor), DVRT(differential variable reluctance transducer)와 같은 비접촉 능동 유도 센서, 광학 센서, 마이크로웨이브 센서(microwave sensor), 정전용량형 근접 센서(capacitive proximity sensor), 홀 센서, 임의의 다른 적합한 유형의 센서를 포함한다. 일부 실시예들에서, 센서 타겟들은 제1 타겟 휠(116) 주위에서 균일하게 원주 방향으로 이격된다. 일부 다른 실시예들에서, 센서 타겟들은 제1 타겟 휠(116) 주위에서 불균일하게 이격 배치된다.
[0028] 도 1d는 샤프트(102) 및 회전 커플링들(104a 및 104b)을 포함하는 기계적 환경(100)의 측면도이다. 도 1e는 샤프트(102) 및 회전 커플링들(104a 및 104b)을 포함하는 기계적 환경(100)의 단면도이다. 도 1f는 제1 타겟 휠(116) 주위에 센서들(114a 내지 114f)의 포지션을 예시하는 기계적 환경(100)의 부분적으로 분해된 사시도이다. 도 1g는 예시적인 평행 타겟(120) 및 예시적인 비스듬한 타겟들(122, 124)을 예시하는 기계적 환경(100)의 사시도이다. 센서 어레이들(106, 108, 110, 112)은 예시를 간소화하는 목적들을 위해 도 1d 내지 도 1f에서 도시되지 않는다. 도 1h는 제1 타겟 휠(116)의 대안적인 실시예의 평면도이다. 타겟 휠(116)은, 치형식 타겟 휠인 타겟 휠(116) 대신에 또는 이외에도 타겟 휠(116) 상에 장착된 센서 타겟들(130a 내지 130h)을 갖는다.
[0029] 도 2는 센서들(114a 내지 114f)로부터 센서 신호들을 예컨대, 전기 신호들로서 수신하도록 구성되는 제어기(202)의 블록도이다. 제어기(202)는, 예컨대, 본원에 개시된 방정식들을 부분적으로 기초하는 적합한 신호 처리로 인해 그리고 전자 제어 시스템들의 당업자에게 추가적으로 공지된 바와 같이, 센서 신호들을 기초로 하여 길이 방향(126)으로의 샤프트(102)의 축방향 변위 측정 및 샤프트(102)의 반경 방향 변위 측정을 결정하기 위해 구성된다.
[0030] 예시된 실시예들에서, 제어기(202)는 하나 이상의 프로세서들(204) 및 프로세서들(204)에 대한 실행가능한 명령들을 저장하는 메모리(206)를 포함한다. 제어기(202)는 센서들(114a 내지 114f)로부터 센서 신호들을 전자적으로 수신하기 위해 구성되는 입력/출력 시스템(210)을 포함한다. 전자 통신은 유선 또는 무선 통신을 사용하여 성취될 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력/출력 시스템(210)은, 적합한 통신 회로들을 포함함으로 인해, 이후에 신호 인터페이스(212)로 지칭되는, 예를 들어, 샤프트(102)를 구동하는 모터 또는 엔진을 위한 파워 및/또는 제어 시스템인 외부 파워 및/또는 신호 인터페이스(212)로 정보를 송신하기 위해 구성된다. 예를 들어, 제어기(202)는 제어 피드백 또는 구조 안전성 인디케이터들과 같은 외부 전기 시스템으로 필수 안전 피드백을 송신하기 위해 구성될 수 있다.
[0031] 제어기(202)는 센서들(114a 내지 114f)로부터 센서 신호들을 수신하고, 그리고 본원에 개시된 바와 같이, 센서 신호들을 기초로 하여 적합한 회전 매개변수들을 결정하기 위한 신호 처리 하드웨어(208)를 포함한다. 신호 처리 하드웨어(208)는 센서 신호들로부터 파형들 및 파형 매개변수들을 캡처링하기 위한 임의의 적합한 회로들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 신호 처리 하드웨어(208)는, 디지털 시계에 의해 양자화(quantized)되지 않은 시간들을 포함하는 임의의 시간에, 라이징(rising) 또는 폴링 에지(falling edge) 또는 제로-크로싱(zero-crossing)을 검출하기 위한 회로들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 신호 처리 하드웨어(208)는, 트리거 회로들 및 카운터 회로들에 의해 구현되는 라이징 또는 폴링 에지들 또는 제어-크로싱들에 의해 시작되는 샘플-앤-홀드 디바이스들(sample-and-hold devices)을 포함한다.
[0032] 일부 실시예들에서, 제어기(202)는, 비스듬한 타겟들(122, 124)을 검출하는 것과 평행한 타겟들(120)을 검출하는 것 사이의 상대적인 타이밍 차이(relative timing difference)에 기초하여 샤프트(102)의 축방향 변위 측정을 결정하도록 구성되며, 이는 도 5 및 도 6을 참조로 하여 아래에서 더 설명된다. 일부 실시예들에서, 제어기(202)는 센서 타겟들을 2개의 타겟 휠들에 걸쳐 검출하는 것 사이의 차이를 타이밍하는 수단을 사용하여 비틀림 측정을 결정하도록 구성된다.
[0033] 일부 실시예들에서, 제어기(202)는, 축방향 변형률, 축방향 변위, 평행 오정렬, 각도 오정렬, 런-아웃 및 비틀림을 포함하지만 이에 제한되지 않는 제어 피드백 매개변수들 또는 구조 안전성 인디케이터들 중 하나 이상 또는 모두를 결정하도록 프로그래밍된다.
[0034] 일부 실시예들에서, 제어기(202)는 하나 이상의 구조 안전성 인디케이터들 또는 실시간 제어 매개변수들에 기초하여 신호 인터페이스(212)로 필수 안전 피드백을 송신하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서의 제어기(202)는, 구조 안전성 인디케이터들 중 하나가 구조 안전성 인디케이터에 대한 미리 정해진 범위 밖에 있다면, 신호 인터페이스(212)에 경고 메시지를 송신하도록 프로그래밍된다. 신호 인터페이스(212)는 임의의 적합한 작용들을 갖는 안정성 중요 정보에 응답할 수 있다. 예를 들어, 신호 인터페이스(212)가 샤프트(102)를 회전시키는 모터를 위한 전자 제어 유닛인 것을 가정한다. 일부 실시예들에서, 전자 제어 유닛은 안정성 중요 정보에 응답하여 모터 또는 엔진에 대한 파워를 감소시킨다.
[0035] 통상적으로, 제어기(202)는 타겟 휠들(116, 118) 상의 타겟들의 검출 사이의 타이밍을 결정함으로써 센서 신호들을 사용하여 타이밍 정보를 측정한다. 일부 실시예들에서, 제어기(202)는 회전 커플링의 대향 단부들에서 제1 및 제2 센서 어레이들(106, 108)로부터 센서 신호들을 수신하고 그리고, 제1 센서 어레이(106)로부터 제1 센서 신호들 및 제2 센서 어레이(108)로부터 제2 센서 신호들을 사용하여, 제1 및 제2 타겟 휠들(116, 118)의 다양한 변위들을 결정한다.
[0036] 제어기(202)는 하드웨어 및/또는 펌웨어와 조합하여 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어기(202)는 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어에서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기(202)는, 단계들을 수행하기 위해 컴퓨터 제어의 프로세서에 의해 컴퓨터를 실행했을 때, 그 위에 저장된 컴퓨터 실행가능한 명령들을 가지는 컴퓨터 판독가능한 매체를 사용하여 구현된다. 제어기(202)를 구현하기 위해 적합한 컴퓨터 판독가능한 매체의 예들은 비일시적 디바이스들, 예컨대 디스크 메모리 디바이스들, 칩 메모리 디바이스들, 프로그래밍가능한 로직 디바이스들, 및 주문형 반도체들(application specific integrated circuits)을 포함한다. 또한, 제어기(202)를 위한 컴퓨터 판독가능한 매체는 단일 디바이스 또는 컴퓨팅 플랫폼(computing platform) 상에 위치될 수 있거나, 다수의 디바이스들 또는 컴퓨팅 플랫폼들에 걸쳐 분포될 것이다. 제어기들의 설계, 구성, 및 작동은 제어기를 작동시키기 위해 프로그래밍되는 필수적인 소프트웨어 및 펌웨어를 포함하는 것으로 당업자에게 공지된다. 당업자는, 제어기의 주요 목적이 (a) 센서 입력들을 컨디셔닝하고 그리고 이러한 입력들을 타겟 타이밍 값들로 변환시키고, (b) 파워 입력을 컨디셔닝하고, (c) 특허에서 제공된 수학 및 신호 처리를 구현하고 그리고 (d) 신호 인터페이스와 통신하는 것이라는 것을 알고 있다. 이러한 경우에, 제어기(202)는, 당업자가 기존의 지식을 기초하여 제어기를 생성할 수 있도록 구성된다.
[0037] 도 3은 센서들(114a 내지 114f) 중 하나로부터 예시적인 파형(302)의 그래프(300)를 도시한다. 그래프(300)는 수평 축 상에 시간 그리고 수직 축 상에 센서로부터의 전압 출력을 도시한다. 도 3에서 예시되는 예에서, 제어기는 파형(302)의 (“음 경사진(negative-sloped)” 제로 크로싱들(308, 310)을 포함하는) 2개의 전압 펄스들(304, 306)에 의해 표시되는 2개의 타겟들의 통과를 검출한다. 도 2의 제어기(202)는 비교기와 커플링된 계측 증폭기(instrumentation amplifier)와 같은 당업자에게 공지된 방법들을 사용하여 전압 펄스들(304, 306)의 피크들 사이의 시간, 제로-크로싱들, 또는 다른 임계치들을 결정하도록 구성된다. 도 2의 제어기(202)는, 본원에 설명될 바와 같이 타겟 휠들(116, 118)의 비틀림, 축방향 및 반경방향 모션을 계산하기 위해 타겟 치형부들 사이에서 타이밍 측정들을 사용한다.
[0038] 도 4는 비스듬한 타겟들을 갖는 예시적인 타겟 휠(400)을 도시한다. 타겟 휠(400)은 길이 방향(402)으로 연장하는 회전 축 주위에서 회전할 수 있다. 타겟 휠(400)은 길이 방향(402)에 대해 실질적으로 평행한 둘 모두의 평행 타겟들(404), 및 길이 방향(402)에 대해 비스듬한, 비스듬한 타겟들(406, 408)을 포함한다. 비스듬한 타겟들(406, 408) 및 평행 타겟들(404)은, 도 1a 내지 도 1f의 타겟 휠(116)에 예시되는 것들과 유사하게, 교번 유형으로 원주 방향으로 배열된다.
[0039] 비스듬한 타겟들(406, 408)은, 범례(legend)(410)에서 특정된 바와 같이 타겟 휠(404) 주위에 교번 유형으로 반대 배향들로 비스듬하다. 특히, 타겟 휠(400)은 전방 경사부, 예컨대 비스듬한 타겟(408)을 갖는 일부 타겟들, 및 후방 경사부, 예컨대, 비스듬한 타겟(406)을 갖는 일부 타겟들을 포함한다. 도 3에서 도시되는 예에서, 비스듬한 타겟들(406, 408) 각각은 2°의 경사를 가지지만; 일반적으로, 비스듬한 타겟들(406, 408)은 길이 방향(402)으로부터 임의의 적합한 각도로 비스듬할 수 있다.
[0040] 도 5는, 비스듬한 타겟들을 가지는 타겟 휠, 예컨대, 도 1a 내지 도 1f의 타겟 휠(116)을 위한 예시적인 축방향 타겟 패턴을 도시한다. 도 6은 비스듬한 타겟들을 가지는 타겟 휠을 위한 상이한 예시적인 축방향 타겟 패턴을 도시한다.
[0041] 축방향 모션은 비스듬한 타겟들의 상대적인 타이밍을 사용하여 측정될 수 있다. 타겟들의 경사짐이 적합하게 이루어진다면, 타겟들의 평균 타이밍 차이(mean timing difference)는, 비틀림을 부여하는, 완전한 일회전에 걸쳐 변하지 않는 상태를 유지하며, 그리고 타겟들의 상대적인 타이밍 차이는 이후에 설명되는 바와 같이, 축방향 모션이 계산되는 것을 허용한다. 센서들은 타겟들의 중심에 걸쳐 명목상으로 위치되며, 그리고 타겟들이 지나게 회전함에 따라, 센서들은 다음으로 각각의 타겟의 델타 시간 또는 Ts 를 검출한다. 대향 경사들이 사용된다면, 타이밍 차이는 “제로 평균(zero mean)”일 수 있고, 그리고 계산적으로 효율적인 이동 평균화 필터들(moving averaging filters)을 사용하여 필터 아웃될(filtered out) 수 있다.
[0042] 도 5a 및 도 5b의 예에서, 타겟 휠 당 18개의 타겟들이 존재한다. 도 5a의 차트(502)는 샤프트의 방향의 타겟들의 배향을 예시하며, 그리고 도 5b의 차트(504)는 센서들에 의해 검출되는 바와 같은 축방향 타겟 간격을 예시한다. 제1 수직선(506)은 센서들의 제1 축방향 포지션을 예시하며, 그리고 대응하는 플롯(plot)(510)은 제1 축방향 포지션의 센서들에 의해 측정되는 바와 같이 타겟들 사이의 거리를 예시한다. 제2 수직선(508)은 센서의 제2 축방향 포지션을 예시하며, 그리고 대응하는 플롯(512)은 제2 축방향 포지션의 센서들에 의해 측정되는 바와 같이 타겟들 사이의 거리를 예시한다. 플롯들(510 및 512) 둘 모두는 타겟들 사이의 동일한 평균 거리를 갖는다. 2개의 플롯들(510 및 512) 사이의 차이는 제1 및 제2 축방향 포지션들 사이의 거리를 계산하는 데 사용될 수 있다.
[0043] 도 6a 및 도 6b는 상이한 예시적 축방향 타겟 패턴을 예시한다. 도 6a의 차트(602)는 샤프트의 방향의 타겟들의 배향을 예시하며, 그리고 도 6b의 차트(604)는 센서들에 의해 검출되는 바와 같은 축방향 타겟 간격을 예시한다. 제1 수직선(606)은 센서들의 제1 축방향 포지션을 예시하며, 그리고 대응하는 플롯(plot)(610)은 제1 축방향 포지션의 센서들에 의해 측정되는 바와 같이 타겟들 사이의 거리를 예시한다. 제2 수직선(608)은 센서의 제2 축방향 포지션을 예시하며, 그리고 대응하는 플롯(612)은 제2 축방향 포지션의 센서들에 의해 측정되는 바와 같이 타겟들 사이의 거리를 예시한다.
[0044] 축방향 모션으로 인한 타이밍 차이들을 계산하기 위해,
Figure 112019116916233-pct00001
을 i번째 센서 및 k번째 시간단계를 위한 현재 타겟 제로 크로싱과 이전의 타겟 제로 크로싱 사이의 기간으로 한다. 이러한 타이밍 측정들은 다음의 방정식에 의해 근사될 수 있다:
Figure 112019116916233-pct00002
[0045] 여기서, fclock은 헤르츠(Hertz)로 프로세서 클럭(clock)의 주파수이며, N은 타겟들의 수이며, 그리고 frot는 헤르츠 단위의 스피닝 타겟 휠의 회전 주파수이다. 타겟들에서의 경사들과 관계없이,
Figure 112019119826999-pct00003
가 이동 평균화 필터링된다면, 샤프트를 위한 타이밍의 값들은 영향을 받지 않는다:
Figure 112019116916233-pct00004
[0046] 여기서
Figure 112019116916233-pct00005
는
Figure 112019116916233-pct00006
의 이동 평균 필터링된 타이머 델타이다. 도시되는 바와 같이, 이러한 평균 값은 축방향 모션에 의해 영향을 받지 않는다. 축방향 모션은 타이머 델타들에 대한 약간의 효과를 갖는다. 타겟들 사이의 선형 거리(L)에 관하여, 축방향 모션은 다음의 효과를 갖는다:
Figure 112019116916233-pct00007
[0047] 여기서 R은 타겟들의 반경이며, N은 타겟들의 수이며,
Figure 112019119826999-pct00008
는 “i번째” 센서에서 축방향 모션이며, 그리고 θslant는 비스듬한 타겟들의 각도이다. 이러한 관계를 사용하여, 각각의 “i”번째 센서의 타이머 델타들은 k번째 샘플에서 아래의 방정식에 의해 근사될 수 있다.
Figure 112019116916233-pct00009
[0048] 여기서 ±는, 델타가 비스듬한 각도로 증가되거나 비스듬한 각도로 감소되는지의 여부를 표시하는 데 사용된다. 타겟 휠의 물리학에 의하면, 타이밍에서의 모든 증가는, 타이밍에서의 동일한 감소를 동반한다는 것을 유의한다.
[0049] 다음의 예를 고려한다면, 여기서 18개의 타겟들(N=18)이 존재하며, 여기서 k-2, k-5, k-8, k-11, k-14, 및 k-17 타겟들 상에 비스듬한 각도들이 존재한다. 이러한 비스듬한 각도들은 (도 5에서의 것와 유사하게) 교번하며, 이는 다음의 세트의 방정식들을 부여한다:
Figure 112019116916233-pct00010
[0050] 이동 평균 필터 타이머 델타(
Figure 112019116916233-pct00011
)가 이러한 예에서 이전에 언급된 방정식에 의해 계산된다면, 다음의 방정식이 발생한다:
Figure 112019116916233-pct00012
[0051] 위의 방정식은, 이동 평균 필터링된 타이머 델타가 타겟에서의 경사들에 대해 변하지 않는 것을 표시한다. 타이머 델타들로부터 축방향 모션을 얻기 위해, 다음의 세트의 필터링이 규정되며, 여기서 타이머 델타들은 3개의 별도의 이동 평균 필터들로 분할된다:
Figure 112019116916233-pct00013
[0052] 이전의 예에서, 다음의 타이머 델타 이동 평균들은 다음을 발생한다:
Figure 112019116916233-pct00014
[0053]
Figure 112019116916233-pct00015
의 값은 양 또는 음을 항상 유지하는 경우에, 축방향 타이머 델타들은 다음으로 결정론적으로 조합될 수 있다:
Figure 112019116916233-pct00016
[0054] 이러한 축방향 타이머 델타들은 다음의 방정식을 통해 각각의 센서에서 축방향 변위로 명목상으로 변환될 수 있다:
Figure 112019116916233-pct00017
[0055] 일부 실시예들에서, 정확한 축방향 모션 측정(
Figure 112019116916233-pct00018
)을 계산하기 위해, 축방향 타이머 델타들(
Figure 112019116916233-pct00019
)은 다양한 작동 조건들에 걸쳐 교정될 수 있다.
[0056] 타겟 타이밍 측정들은 샤프트 세그먼트 또는 커플링에서 다음의 자유도들의 측정을 제공한다: Δx 및 Δy (반경 방향 변위들), θx 및 θY(각도 변위들), Δz(축방향 변위) 및 θZ 또는 θtwist(비틀림). 미국 특허 번호 제7,093,504호는 타겟 타이밍 측정들을 사용하기 위한 방법들 및 시스템들을 설명하고, 그리고 본 출원의 출원 날짜로 본 출원과 공동 소유된다. 미국 특허 번호 제7,093,504호는 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0057] 특히, 미국 특허 번호 제7,093,504호는 도 4에서 x-y 평면에서 x 축으로부터의 각도로서 각각의 센서의 배향을 설명한다. 미국 특허 번호 제7,093,504호는 도 1, 도 5a, 도 5b 및 도 6에서 그리고 15열, 20행 내지 17열, 64행의 본 명세서에서 비틀림을 결정하기 위해 타겟 타이밍 측정들을 사용하는 것을 설명한다. 예시의 목적들을 위해, 미국 특허 번호 제7,093,504호의 부분들은 도 8d 내지 도 8h에 그리고 대응하는 내용에서 아래에서 재현된다. 미국 특허 번호 제7,093,504호의 도 1, 도 4, 도 5a, 도 5b 및 도 6은 각각 도 8d, 도 8e, 도 8f, 도 8g, 및 도 8h이다.
[0058] 예를 들어, 타겟 타이밍 측정들의 사용을 예시하기 위해, 도 8d 내지 도 8h에 예시되는 예시적인 시스템을 고려한다. 도 8d 내지 도 8h는 비틀림 각도 및 반경 방향 모션을 결정하기 위한 타겟 타이밍 측정들의 사용을 도시한다.
[0059] 도 8d는 비틀림 각도 측정 시스템(19)을 도시한다. 시스템(19)은, 제1 회전 디스크 센터 z-축(60)을 중심으로 회전하는 제1 회전 디스크(20)(디스크(A)), ─ 이 때 제1 디스크(20)는 x-y 평면에 배향되며, 이 제1 회전 디스크(20)는 타겟 패턴(22)을 가짐 ─, 제2 회전 디스크 센터 z-축(62)을 중심으로 회전하는 제2 회전 디스크(24)(디스크(B)), ─ 이 때 제2 디스크(24)는 x-y 평면에 배향되며, 이 제2 회전 디스크(24)는 타겟 패턴(26)을 가짐 ─, 및 센서 크래들 기준 z-축(64) 주위에서 센터링되는 센서 크래들(sensor cradle)(48) ─ 센서 크래들(48)은 제1 디스크의 제1 센서(30)(T1A), 제1 디스크의 제2 센서(32)(T2A), 제2 디스크의 제3 센서(34)(T3A)와 함께 제1 회전 디스크(20 및 제2 회전 디스크(24)를 수반함 ─, 제1 디스크의 제1 센서, 제1 디스크의 제2 센서, 및 제1 디스크의 제3 센서는 제1 회전 디스크(20) 주위에 고정되고 그리고 제1 회전 디스크(20)를 수반하고 그리고 제1 회전 디스크 타겟 패턴(22)을 동시에 감지하기 위해 위치결정되고 그리고 센터 z-축(60)을 향해 지향되며, 그리고 센서 크래들(48)은 제2 디스크의 제1 센서(38)(T1B), 제2 디스크의 제2 센서(40)(T2B), 제2 디스크의 제3 센서(42)(T3B)를 포함하며, 제2 디스크의 제1 센서, 제2 디스크의 제2 센서, 및 제1 디스크의 제3 센서는 제2 회전 디스크(24) 주위에 고정되고 그리고 제1 회전 디스크(20)를 수반하고 그리고 제2 회전 디스크 타겟 패턴(26)을 동시에 감지하기 위해 위치결정되고 그리고 센터 z-축(62)을 향해 지향되며, 제1 디스크의 제1 센서(30)(T1A)는 제2 디스크의 제1 센서(38)(T3B)에 인접하게 위치결정되고, 제1 디스크의 제2 센서(32)(T2A)는 제2 디스크의 제2 센서(40)(T2B)에 인접하게 위치결정되며, 그리고 제1 디스크의 제3 센서(34)(T3A)는 제2 디스크의 제3 센서(42)(T3B)에 인접하게 위치결정되며, 이 때 센서들은, 감지된 명백한 비틀림 및 오프셋들로부터 제1 회전 디스크(20)와 제2 회전 디스크(24) 사이에 실제 비틀림 각도(θtwist)의 결정을 제공하기 위해, 센서 크래들 기준 z-축(64)으로부터 제1 회전 디스크 센터 z-축(60)의 Δx 오프셋 및 Δy 오프셋, 그리고 센서 크래들에 대한 제1 회전 디스크의 θx 오프셋 및 θy 오프셋, 그리고 센서 크래들 기준 z-축(64)으로부터 제2 회전 디스크 센터 z-축(62)의 Δx 오프셋 및 Δy 오프셋, 그리고 센서 크래들에 대한 제2 회전 디스크의 θx 오프셋 및 θy 오프셋을 감지하도록 위치결정된다.
[0060] 센서 하우징 크래들(48)은, 회전 디스크들(20 및 24)을 수반하는 센서들(T)을 갖는 3개의 별도의 바들 또는 아암들(49)로서 도 8d에서 도시된다. 아암들(49)은 하나의 단부에서 함께 연결될 수 있거나, 이 아암들은 모든 센서들을 보유하는 단일의 기계적인 피스로서 구성될 수 있다. 절대 x-y-z 좌표계 하우징 기준 프레임은 센서 하우징(48)에 의해 규정되며, 이 때 측정들은 하우징 기준 프레임(48)에 대해 이루어진다. 강성 센서 하우징(48)이 관성 기준 프레임에 대한 임의의 모션을 경험한다면, 이러한 절대 좌표계가 이동하는 것을 유의해야 한다.
[0061] 타겟 디스크들(20, 24)이 스피닝하면서, 둘 모두의 타겟 디스크들은 이들의 6개의 강체 자유도 각각에서 모션들을 경험할 수 있다. 시간-변경 타겟 디스크 모션들은 센서 하우징(48)에 관한 것일 수 있고 그리고/또는 서로에 관한 것일 수 있다. 도 8d는, 각각의 디스크의 회전 축이 센서 하우징(48)의 축(64)과 일치하거나 평행하지 않을 수 있는 것을 표시한다. 디스크(A)의 센터는 양{ΔxA, ΔyA}으로 오프셋되는 것으로 도시되며, 그리고 디스크(B)의 센터는 가능하게 상이한 양{ΔxB, ΔyB}으로 오프셋되는 것으로 도시된다. 디스크 변위들({ΔxA(t), ΔyA(t)} 및 {ΔxB(t), ΔyB(t)})은 시간에 따라 변할 수 있다.
[0062] 미국 특허 번호 제7,093,504호, 15열, 20 내지 36행을 참조하면, 이러한 개시와 일치를 위해 업데이트되는 방정식 수들 및 도면 수들을 참조하여, 타이밍 측정들은 z-축 주위에 디스크(A)에 대한 디스크(B)의 각도 변위로서 측정되는 비틀림으로 비틀림 측정을 결정하는 데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 비틀림을 측정하기 위한 방법은, 디스크(A) 및 디스크(B) 상의 대응하는 센서들로부터의 펄스들의 감지가능한 라인들 라이징(또는 폴링) 에지들 사이에서 타이밍 차이를 측정하는 단계를 포함한다. 도 8d의 3개의 센서 아암들(49)을 위해, 3개의 가능한 측정들이 존재한다.
Figure 112019116916233-pct00020
[0063] 여기서
Figure 112019116916233-pct00021
는 센서(T1B 및 T1A)로부터 디스크(B) 및 디스크(A) 상에 대응하는 타겟들 상의 라이싱 타겟 에지들 사이의 타이밍 차이를 나타낸다. 게다가,
Figure 112019116916233-pct00022
는 센서(T1A)로부터의 연속적인 라이징 타겟 에지들 사이의 시간을 나타내며, 그리고
Figure 112019116916233-pct00023
는 타겟 디스크(A) 상의 센서(T1A)로부터의 연속적인 폴링 에지들 사이의 시간을 나타낸다. 미국 특허 번호 제7,093,504호, 15열, 37 내지 67행을 참조하면, 이러한 개시와의 일치를 위해 업데이트되는 방정식 수들 및 도면 수들을 참조하여, 우리는 라이징 또는 폴링 에지들(둘 모두는 동일해야 함)을 사용할 수 있지만, 타이밍 측정들 중 단지 3개만 독립적이다(즉, 위의 각각의 쌍으로부터 하나임).
[0064] 디스크(A) 및 디스크(B)의 오프셋들이 모두 영인 매우 특별한 경우에, 즉,
Figure 112019116916233-pct00024
, 및
Figure 112019116916233-pct00025
는, 그 후, 샤프트의 순간 회전 속도와 함께 방정식(20)에서의 측정들 중 임의의 하나는 비틀림의 간단하고 리던던트 측정을 제공할 것이다.
Figure 112019116916233-pct00026
[0065] 타이밍 측정은 타겟 디스크들의 오프셋 변위들에 의해 왜곡될(distorted) 것이다. 이러한 관점에서, 위의 방정식의 좌변의 양들, 즉,
Figure 112019119826999-pct00027
,
Figure 112019119826999-pct00028
, 및
Figure 112019119826999-pct00029
은 명백한 비틀림 각도들이다. 도 8f 및 도 8g는 타겟 디스크의 x-y 모션과 연관된 타이밍 효과들의 분석을 도시한다. 이러한 지점을 명백하게 하기 위해, 우리는 우선적으로 도 8f에서 도시되는 바와 같은 기준 디스크만을 고려한다.
[0066] 도 8f는 센서 하우징(48)의 x-y 축 상에서 완벽히 센터링되는 디스크(A)를 도시한다. 단순함을 위해, 단일의 노치는 디스크의 주변부 상에서 빼내어진다. 우선적으로, 우리는, 도 8f의 쉐이딩된 웨지(shaded wedge)에 의해 표시되는 바와 같이, x-축으로부터의
Figure 112019119826999-pct00030
라디안(radians)에 위치되는 이러한 노치를 센서(T)까지 회전시킨다. 도 8g에서 도시되는 바와 같이, 이제 디스크(A)가 센서 하우징(48)의 축(64)으로부터 고정되게 오프셋되는 것으로 가정한다. 도 8g의 오프셋 예를 위해, 동일한
Figure 112019119826999-pct00031
라디안을 통해 노치를 회전시키는 것은 노치로 하여금 센서를 넘어 이동하는 것을 유발시키는 것이 명확하다.
[0067] 미국 특허 번호 제7,093,504호, 16열, 1 내지 34행을 참조하면, 이러한 개시와의 일치를 위해 업데이트되는 방정식 수들 및 도면 수들을 참조로 하여 그리고 도 8h에 제공되는 근접도를 참조하여, 중요 매개변수는 상대적인 각도(
Figure 112019119826999-pct00032
)이다. 이러한 상대적인 각도는 회전의 센터에 오프셋들에 의해 유도되는 명백한 각도 왜곡으로 생각될 수 있고, 그리고
Figure 112019119826999-pct00033
에 위치된 센서에서 측정될 수 있어, 따라서 우리는
Figure 112019119826999-pct00034
를 기록할 수 있다. 이러한 왜곡은 비틀림 각도의 측정에 대한 상당한 영향 및 타코미터(tachometer) 센서들로부터 연관된 타이밍 펄스들을 명백하게 갖는다. 다행스럽게도, 각도 왜곡(
Figure 112019119826999-pct00035
)은 오프셋 매개변수들에 관한 것일 수 있다.
Figure 112019116916233-pct00036
[0068]
Figure 112019116916233-pct00037
의 기하학적 정의로부터 우리는 다음을 알게 된다.
Figure 112019116916233-pct00038
[0069] 여기서 다시,
Figure 112019119826999-pct00039
는 센서(T)의 공지된 포지션이며, 그리고 R은 센서 하우징의 공지된 반경이다. 미국 특허 번호 제7,093,504호, 16열, 36 내지 42행 그리고 일반적으로 16열, 43행 내지 7열, 35행을 참조하면, 작은 변위들을 위해, 이는 다음으로 간소화된다:
Figure 112019116916233-pct00040
[0070] 미국 특허 번호 제7,093,504호, 17열, 36 내지 64행, 및 아래의 방정식들(25 및 26)을 일반적으로 참조하면, 다음의 방정식들은 비틀림 각도(
Figure 112019116916233-pct00041
)의 측정값들을 제공하도록 그리고 샤프트 정렬의 2차 측정값들, 즉
Figure 112019116916233-pct00042
를 제공하도록 해결될 수 있다.
Figure 112019116916233-pct00043
[0071] 이러한 방정식들은 비특이하며(non-singular) 그리고 해결가능한데, 왜냐하면 우리는 일반적으로 센서들의 배치를 선택할 수 있기 때문이다. 최소 제곱 해(least squares solution)가 또한 사용될 수 있다.
[0072] 이러한 측정들은 결국, 도 7에서 도시되는 샤프트 정렬 매개변수들의 측정을 허용한다.
[0073] 도 8a 및 도 8b를 다시 참조하면, 각각의 타겟 평면을 위해, 이 평면 내의 타겟 타이밍 측정들은 센서 어레이에 대해 타겟 평면 센트로이드의 편향을 평가하는 데 사용될 수 있다. 이러한 편향들은 도 8a에 규정된다. 특히, 위에서 방정식(26)인 미국 특허 번호 제7,093,504호의 방정식(15)은 타이밍 측정들을 기초하여 ΔxA 및 ΔyA의 연산(computation)을 제공하며, 그리고 위의 계산들은 비스듬한 타겟들의 타이밍 측정들을 기초하여 ΔzAi의 연산을 제공한다. 미국 특허 번호 제7,093,504호의 ΔxA, ΔyA, ΔxB, 및 ΔyB의 연산은 정확한 동시에, 측정 하의 샤프트 또는 커플링의 일반적인 모션에 대한 가정들이 이루어져야 한다. 본질적으로, 미국 특허 번호 제7,093,504호에서 상세히 설명되는 측정은 타겟 휠들의 병진 운동 모션 및 회전 모션 사이에서 구별될 수 없다. ΔzAi 축방향 측정들의 부가는, 타겟 휠들의 병진 운동 및 회전 모션이 뒤따르는 수학에서 입증될 수 있는 바와 같이 정확히 구별될 수 있는 것을 허용한다.
[0074] 다음의 연산들은 도 8b에서 규정되는 바와 같이 관련된 샤프트 또는 커플링 정렬 값들로 타겟 평면 센트로이드 편향들의 타이밍-기반 측정들을 변형하기 위한 방법을 예시한다. 다시 말해, 이들은 다음을 가능하게 한다:
Figure 112019116916233-pct00044
[0075] 유사한 계산들은 제2 타겟 평면 “B”을 위해 완료될 수 있으며, 그리고 결과들은 총 커플링 정렬 값들을 산출하기 위해 타겟 평면 “A”으로부터의 결과들과 합쳐진다.
[0076] 다음의 연산들은, sinθ
Figure 112019116916233-pct00045
θ 및 cosθ
Figure 112019116916233-pct00046
1이도록 θx 및 θy이 작은 각도들인 것을 추정한다. 분석적인 해는 보다 정확한 해를 위해 존재하지만, 간결성을 위해 여기서는 포함되지 않는다. 간단한 삼각법(trigonometry)은 다음을 입증할 수 있다.
Figure 112019116916233-pct00047
[0077] 그 후, 커플링 정렬 값들은 다음으로부터 계산될 수 있다.
Figure 112019116916233-pct00048
[0078] 최종적으로, 다음이 나타날 수 있다.
Figure 112019116916233-pct00049
[0079] 여기서, θx 및 θy는 위에서 도시되는 바와 같이 연산된다. 그래서, 이러한 방정식들은 위에서 도시되는 바와 같이 관련된 샤프트 또는 커플링 정렬 값들로의 타겟 평면 센트로이드 편향들의 타이밍-기반 측정들의 변형을 함께 제공한다.
[0080] 도 7은 본 명세서에서 설명되는 시스템들 및 방법들을 사용하여 결정될 수 있는 다양한 유형들의 샤프트 또는 커플링 정렬들을 예시한다. 도 8a 및 도 8b는, 타겟 휠의 타겟 평면 “A”으로 라벨링되는 예시적인 타겟 평면(800)을 참조로 하여 다음의 논의에서 사용되는 변수들을 예시한다. 도 8a는 타겟 평면(800) 및 타겟 평면(800)의 다양한 편향들을 묘사한다. 도 8b는 샤프트 또는 커플링 정렬 값들을 규정하기 위해 축에 대한 타겟 평면(800)을 도시하며, 여기서 X A , Y A , Z A , θ xA, 및 θ yA는 타겟 평면 “A”에 대한 x 및 y 방향으로의 반경 방향 정렬, 축방향 정렬 및 각도 정렬들 각각을 대응한다. 이러한 라벨링 공정은 상이한 “B” 타겟 휠을 위해 반복될 수 있으며, 여기서 X B , Y B , Z B , θ xB , 및 θ yB 은 타겟 휠 모션들에 대응하는 변수들이다.
[0081] 정렬 값들(ZA 및 R0)을 추가적으로 예시하기 위해, 다음을 고려한다. 도 8a를 참조하면, 타겟 휠(800)의 정확한 기하학적 센터에서, 지점(ΔxA, ΔyA)이 존재하며, 그리고 모션이 없으면서(XA , YA , ZA , θ xA, 및 θ yA = 0), 이러한 지점은 z-축 상에 놓인다. 타겟 휠이 이동함에 따라, 이러한 지점은 변위할 것이며, 그리고 일부 변위는 축방향인 경우에, ZA는 더 이상 0이 아니다. R0는 커플링의 관절 반경(articulation radius)이다. 2개의 타겟 휠들을 위해, 2개의 가능한 시나리오들 ─ 하나, 타겟 휠들이 경질 샤프트 상에 있으며, 그리고 R0 = 타겟 휠들 사이의 거리의 1/2이거나; 둘, 타겟 휠들은 커플링 상에 있으며, 그리고 R0은, 각각의 타겟 휠의 x-y 평면들의 법선 벡터들이 교차하는 경우, 타겟 휠과 지점 사이의 거리임 ─ 을 고려한다.
[0082] 도 7을 다시 참조하면, 도시되는 각각의 예시적인 정렬에서, 왼쪽의 제1 타겟 휠”A” 및 오른쪽의 제2 타겟 휠”B”을 포함하는 2개의 타겟 휠들이 묘사된다. 둘 모두의 타겟 휠들을 위한 정렬 값들은 도 8a 및 도 8b로부터 이해될 수 있는데, 왜냐하면 제2 타겟 휠”B”에 대한 정렬 값들은 제1 타겟 휠“A”에 대한 정렬 값들과 동일한 것으로 규정되기 때문이며, 이는 도 8a 및 도 8b에 도시된다. A 및 B 타겟 휠들은, 예컨대, 도 1a 내지 도 1h에서 예시되는 바와 같이, 커플링에 걸쳐 상이한 샤프트들 상에 있을 수 있거나, A 및 B 타겟 휠들은, 예컨대, 도 9a 내지 도 9d에서 예시되는 바와 같이, 동일한 샤프트 상에 각각 있을 수 있다.
[0083] 도 7에서 도시되는 정렬 값들은 조합하여 발생할 수 있다. 기하학적 형상 연산들은 개별적인 샤프트 정렬 프로파일들의 분해능(resolution)을 허용하고 그리고 아래에서 더 설명된다.
[0084] 제1 예시적인 정렬(702)은 축방향 변형률을 예시한다. A와 B 타겟들 사이의 축방향 변형률은 다음에 비례한다:
Figure 112019116916233-pct00050
[0085] 여기서, Δz는 z-축을 따라 측정되는 축방향 변위이며, ZB는 타겟(B)의 축방향 변위이며, ZA는 타겟(A)의 축방향 변위이며, 그리고 R0는 타겟(A) 또는 타겟(B)와 타겟(A) 또는 타겟(B) 사이에서 센터링되는 지점 사이의 반경 방향 거리이다.
[0086] 제2 예시적인 정렬(704)은 둘 모두의 타겟 휠들의 벌크 축방향 변위를 함께 예시한다. A와 B 타겟들 사이의 축방향 변위는 다음에 의해 결정된다:
Figure 112019116916233-pct00051
[0087] 제3 예시적인 정렬(706)은 평행 (또는 오프셋) 오정렬 및 병진운동 월(또는 런아웃)을 예시하며, 그리고 제4 예시적인 정렬(708)은 각도 오정렬 및 굽힘 월을 예시한다. 타겟(A)와 타겟(B) 사이의 전체적인 각도 오정렬은 다음과 같다:
Figure 112019116916233-pct00052
[0088] 타겟(A)와 타겟(B) 사이의 전체적인 평행 오정렬 또는 오프셋은 다음과 같다:
Figure 112019116916233-pct00053
[0089] 제5 예시적인 정렬(710)은 런-아웃을 예시하며, 그리고 제6 예시적인 정렬(712)은 비틀림 및 토션(torsional) 역학을 예시한다. 런-아웃은, 샤프트 회전 속도와 동기식으로 발생하는 반경 방향 병진운동이다. 샤프트 또는 커플링에 걸친 비틀림이 발생함에 따라, 위상차는 A 타겟 휠과 B 타켓 휠 상의 센서들 사이에서 관찰될 수 있다. 2개의 센서들 사이의 위상차는 비틀림으로 변환될 수 있다. 도 8c는 2개의 센서들 사이의 위상차를 예시하는 예시적인 센서 파형들을 도시한다.
[0090] 도 9a 내지 도 9d는 샤프트(902) 상에 2개의 타겟 휠들(904, 906)을 가지는 예시적인 샤프트(902)를 예시한다. 도 9a는 샤프트(902) 및 2개의 타겟 휠들(904, 906)의 제1 사시도를 도시하며, 그리고 도 9b는 샤프트(902) 및 2개의 타겟 휠들(904, 906)의 제2 사시도를 도시한다. 도 9c는 샤프트(902) 및 2개의 타겟 휠들(904, 906)의 측면도이다. 도 9d는 샤프트(902) 및 2개의 타겟 휠들(904, 906)의 단면도이다. 동일한 샤프트(902) 상에 2개의 타겟 휠들을 배치하는 것은, 예컨대, 커플링들을 참조하여, 하지만 커플링에 걸치는 대신에 동일한 샤프트(902)의 상이한 부분들에 걸쳐 전술된 동일한 변수들을 측정하는 데 유용할 수 있다.
[0091] 도 10은 측정 시스템의 제어기, 예컨대, 도 2의 제어기(202)에 의해 수행되는 예시적인 방법(1000)의 흐름 선도이다. 방법(1000)은 센서 어레이 상의 샤프트 주위에 반경 방향으로 장착되는 센서들로부터 센서 신호들을 수신하는 단계(1002)를 포함한다. 센서들은, 예컨대, 도 1a 내지 도 1h 및 도 9a 내지 도 9d를 참조하여 전술된 바와 같이, 타겟 휠에 배향된다. 방법(1000)은 센서 신호들에 기초하여, 적어도 샤프트의 축방향 변위 측정 및 샤프트의 반경 방향 변위 측정을 결정하는 단계(1004)를 포함한다. 방법(1000)은 선택적으로, 예컨대, 도 1a 내지 도 1h 및 도 2를 참조하여 전술된 바와 같이, 실시간 피드백 매개변수들 또는 구조 안전성 인디케이터들을 포함하는 신호 인터페이스로 피드백을 송신하는 단계(1006)를 포함한다.
[0092] 본 청구 대상은 본 청구 대상의 사상 및 필수적인 특성들로부터 벗어남이 없이 다른 형태들로 구체화될 수 있다. 그러므로, 설명된 실시예들은 모든 측면들에서 제한이 아닌 예시로서 고려될 것이다. 비록 본 청구 대상이 특정 바람직한 실시예들의 측면에서 설명되었지만, 당업자들에게 명백한 다른 실시예들은 또한 본 청구 대상의 범위 내에 있다.

Claims (21)

  1. 길이 방향(126, 402)으로 연장되는 샤프트(shaft)(102, 902, 1004);
    상기 샤프트와 회전하도록 구성되는 타겟 휠(target wheel)(116, 400, 800, 904) ─ 상기 타겟 휠은 상기 타겟 휠 주위에 원주 방향으로 분포되는 복수의 센서 타겟들(120, 122, 124, 130a-h, 404, 406, 408)을 포함하며, 그리고 상기 복수의 센서 타겟들은 상기 길이 방향(126, 402)으로 비스듬한 제1 복수의 타겟들(122, 124, 406, 408) 및 상기 길이 방향(126, 402)에 대해 평행한 제2 복수의 타겟들(120, 404)을 포함함 ─ ;
    상기 샤프트 주위에 반경 방향으로 장착되고, 그리고 상기 타겟 휠이 상기 샤프트와 회전함에 따라 상기 복수의 센서 타겟들을 검출하도록 구성되는 적어도 3개의 센서들(114a-f)을 포함하는 센서 어레이(sensor array)(106, 108, 110, 112, 1002); 및
    상기 적어도 3개의 센서들로부터 센서 신호들을 수신하고 그리고, 상기 센서 신호들에 기초하여, 적어도 상기 길이 방향으로의 상기 샤프트의 축방향 변위 측정 및 상기 샤프트의 반경 방향 변위 측정을 결정하도록 구성되는 제어기(controller)(202)를 포함하고,
    상기 제1 복수의 타겟들은, 적어도 제2 비스듬한 타겟(slanted target)(124, 408)에 대해 길이 방향으로 반대 배향으로 비스듬한 적어도 제1 비스듬한 타겟(122, 406)을 포함하는,
    측정 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어기(202)는, 상기 제1 복수의 타겟들(122, 124, 406, 408)을 검출하는 것과 상기 제2 복수의 타겟들(120, 404)을 검출하는 것 사이의 상대적인 타이밍 차이(relative timing difference)에 기초하여 상기 샤프트(102, 902, 1004)의 축방향 변위 측정을 결정하도록 구성되는,
    측정 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 복수의 타겟들(122, 124, 406, 408) 및 상기 제2 복수의 타겟들(120, 404)은 교번 방식으로 상기 타겟 휠(116, 400, 800, 904) 주위에 반경 방향으로 배치되는,
    측정 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 샤프트(102, 902, 1004)와 회전하도록 구성되는 제2 타겟 휠(118, 906)을 더 포함하며, 상기 제2 타겟 휠은 상기 제2 타겟 휠 주위에 원주 방향으로 분포되는 복수의 센서 타겟들, 및 상기 샤프트 주위에 반경 방향으로 장착되고 그리고 상기 제2 타겟 휠이 상기 샤프트와 회전함에 따라 상기 복수의 센서 타겟들을 검출하도록 구성되는 적어도 3개의 센서들(114a-f)을 포함하는 제2 센서 어레이(108, 1002)를 포함하는,
    측정 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어기(202)는, 상기 타겟 휠(116, 400, 800, 904)과 상기 제2 타겟 휠(118, 906) 상의 센서 타겟들(130a-h)을 검출하는 것 사이의 평균 타이밍 차이(mean timing difference)를 사용하여 상기 샤프트(102, 902, 1004)의 비틀림 측정(twist measurement)을 결정하도록 구성되는,
    측정 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 제어기(202)는, 축방향 변형률, 축방향 변위, 평행 오정렬, 각도 오정렬, 런-아웃(run-out), 및 비틀림 중 하나 이상 또는 모두를 결정하도록 구성되는,
    측정 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 제어기(202)는, 필수 안전 피드백(safety critical feedback) 또는 하나 이상의 구조 안전성 인디케이터들(structural health indicators)을 신호 인터페이스(signal interface)로 송신하도록 구성되는,
    측정 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 타겟 휠(116, 400, 800, 904) 및 상기 센서 어레이(106, 108, 110, 112, 1002)는 상기 샤프트(102, 902, 1004)에 커플링되는 회전 커플링의 제1 단부에 위치되며, 그리고 상기 제2 타겟 휠(118, 906) 및 상기 제2 센서 어레이(108, 1002)는 상기 길이 방향(126, 402)으로 상기 제1 단부의 반대편에 있는, 상이한 샤프트(102, 902, 1004)에 커플링되는, 상기 회전 커플링의 제2 단부에 위치되며, 그리고 상기 제어기(202)는 상기 센서 어레이(106, 108, 110, 112, 1002)로부터의 센서 신호들 및 상기 제2 센서 어레이(108, 1002)로부터의 제2 센서 신호들에 기초하여 상기 회전 커플링의 하나 이상의 구조 안전성 인디케이터들을 결정하도록 구성되는,
    측정 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 타겟들(120, 122, 124, 130a-h, 404, 406, 408)의 각각의 센서 타겟은, 전도성 타겟, 광학 타겟, 및 철을 함유한(ferrous) 타겟 중 하나 이상을 포함하는,
    측정 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 타겟들(120, 122, 124, 130a-h, 404, 406, 408)은 상기 타겟 휠(116, 400, 800, 904) 주위에 원주 방향으로 균일하게 이격되는,
    측정 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 3개의 센서들(114a-f)의 각각의 센서는 가변 자기저항 센서(variable reluctance sensor)를 포함하거나, 상기 적어도 3개의 센서들의 각각의 센서는 비접촉식 능동 유도 근접 센서(non-contact active inductive proximity sensor) 또는 비접촉식 용량 근접 센서(non-contact capacitive proximity sensor)를 포함하거나, 상기 적어도 3개의 센서들의 각각의 센서는 광학 센서를 포함하는,
    측정 시스템.
  12. 측정 시스템의 제어기(202)에 의해 수행되는 방법으로서,
    상기 방법은, 센서 어레이(106, 108, 110, 112, 1002) 상의 샤프트(102, 902, 1004) 주위에 반경 방향으로 장착되는 적어도 3개의 센서들(114a-f) 각각으로부터 센서 신호들을 수신하는 단계 ─ 상기 샤프트는 길이 방향(126, 402)으로 연장되며, 그리고 상기 센서 어레이는, 타겟 휠(116, 400, 800, 904)이 상기 샤프트와 회전함에 따라 타겟 휠(116, 118, 400, 800, 904, 906) 주위에 원주 방향으로 분포되는 복수의 센서 타겟들(120, 122, 124, 130a-h, 404, 406, 408)을 검출하기 위해 상기 적어도 3개의 센서들을 위치결정하도록 구성되고, 상기 복수의 센서 타겟들은 상기 길이 방향으로 비스듬한 제1 복수의 타겟들(122, 124, 406, 408) 및 상기 길이 방향에 대해 평행한 제2 복수의 타겟들(120, 404)을 포함하며, 그리고 상기 제1 복수의 타겟들은, 적어도 제2 비스듬한 타겟(124, 408)에 대해 길이 방향으로 반대 배향으로 비스듬한 적어도 제1 비스듬한 타겟(122, 406)을 포함함 ─ ; 및
    상기 센서 신호들에 기초하여, 적어도 상기 길이 방향으로의 상기 샤프트의 축방향 변위 측정 및 상기 샤프트의 반경 방향 변위 측정을 결정하는 단계를 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 길이 방향(126, 402)으로의 상기 샤프트(102, 902, 1004)의 축방향 변위 측정을 결정하는 단계는, 상기 제1 복수의 타겟들(122, 124, 406, 408)을 검출하는 것과 상기 제2 복수의 타겟들(120, 404)을 검출하는 것 사이의 상대적인 타이밍 차이에 기초하여 상기 샤프트의 축방향 변위 측정을 결정하는 것을 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 복수의 타겟들(122, 124, 406, 408)은 상기 길이 방향(126, 402)으로 경사 각도로 비스듬하며, 상기 방법은 상기 타겟 휠(116, 118, 400, 800, 904, 906) 상의 타겟들의 총 수, 상기 복수의 타겟들의 반경, 및 상기 경사 각도를 사용하여 상기 상대적인 타이밍 거리를 결정하는 것을 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    이동 평균 필터(moving average filter)를 상기 센서 신호들에 적용함으로써 비틀림 측정 및 상기 축방향 변위 측정을 결정하는 단계를 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 센서 타겟들을 검출하는 것 사이의 평균 타이밍 거리를 사용하여 상기 샤프트(102, 902, 1004)의 비틀림 측정을 결정하는 단계를 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
  17. 제12 항에 있어서,
    축방향 변형률, 축방향 변위, 평행 오정렬, 각도 오정렬, 런-아웃, 및 비틀림 중 하나 이상 또는 모두를 결정하는 단계를 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
  18. 제12 항에 있어서,
    필수 안전 피드백 또는 하나 이상의 구조 안전성 인디케이터들을 신호 인터페이스로 송신하는 단계를 포함하는,
    측정 시스템의 제어기에 의해 수행되는 방법.
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