WO2011055662A1 - 軸ぶれ計測方法及び軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器 - Google Patents

軸ぶれ計測方法及び軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器 Download PDF

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    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

Definitions

  • the present invention relates to an angle detector such as a rotary encoder for detecting a rotation angle, and in particular, by providing a self-calibration function, the mounting shaft eccentricity in the use environment included in the angle information output by the angle detector, and the angle detector Using an angle detector with a self-calibration function that can determine the calibration value of the scale including the angle error that occurs due to the influence of secular change, etc., the spindle of the spindle of the processing machine, the engine of an automobile or aircraft
  • the present invention relates to a shaft shake measuring method and an angle detector with a self-calibration function having a shaft shake measuring function, which can detect a rotational shaft shake of the vehicle, a shaft shake of an automobile axle, and the like.
  • a method of measuring the shaft shake of the rotating shaft is mainly a contact method using an electrical micro, or a non-contact method using a laser as shown in the electrostatic capacitance sensor or the following Patent Document 1.
  • the contact method cannot cope with a high-speed rotating shaft, and the non-contact method in the case of a capacitance sensor takes a long time to set up until measurement because the gap between the measuring rotating shaft and the sensor is narrow. Since the laser type is expensive, there is a problem that it is expensive to prepare two axes of XY.
  • an angle detector such as a rotary encoder
  • a rotary encoder a device that outputs angle information by marking a scale around a circular scale plate and counting the number of scales with a sensor head for reading the scale.
  • Various devices are used. Since the angle detector artificially writes the scale, the scale lines are not written at equiangular intervals, and an error occurs in the angle information obtained from the position of the scale lines.
  • the radial straight line L1 in FIG. 1 is an ideal scale line position (equal angle interval line), and the radial short broken line L2 is an actual scale line position, and the difference from the ideal position is plotted in FIG.
  • the point on the right side of FIG. 1 is the calibration value of the graduation line of the angle detector.
  • the actual angle detector has several thousand to several hundred thousand graduation lines. There is.
  • There are several ways to calibrate these lines comparing the scales of the two angle detectors to each other and self-calibrating. In this method, even if the two angle detectors are not calibrated, they can be calibrated at the same time, so that a high-accuracy angle detector is not required.
  • the meaning of self-calibration is that even if two angle detectors having an unknown angle error are compared, the calibration values that are both angle errors can be found at the same time.
  • the angle detector inside the angle measuring instrument and the angle detector to be calibrated are calibrated using a self-calibration method based on the equal division average method. ing.
  • the simplified equal averaging method will be briefly explained with reference to FIG.
  • the difference of 14 scale signals is measured (SA1).
  • SA2 the difference between another sensor head 12 adjacent to the lower portion and the second sensor head 14 located on the upper portion is measured in the same manner.
  • SA5 the average value SAV of them
  • the average value SAV is It becomes.
  • i 1, 2, 3,...
  • N is a scale line number
  • N is the total number of scales provided on the scale board.
  • M is the number of first sensor heads. When five first sensor heads 12 are installed, they are arranged at an angular interval of 1/5 of a 360 ° circumference. Similarly, when M angle detectors are arranged, they are arranged at equal angular intervals of 1 / M. This is read as the equal average method.
  • the angle error includes not only the angle error between the ideal position and the actual position of the scale line shown in FIG. 1, but also the angle error due to the influence of the eccentricity of the angle detector itself and the aging of the angle detector. It is.
  • synchronous angular errors synchronized with the rotational angle such as angular errors due to graduations and shaft eccentricity, and angular errors caused by shaft runout, etc., which depend on the measurement environment, such as angular errors due to bearings on the rotating shaft, temperature, and aging.
  • As an error there is an asynchronous angular error that is asynchronous to the rotation angle.
  • Patent Document 2 The applicant, as shown in Patent Document 2 below, has an error due to shaft eccentricity that occurs when the rotary shaft is connected to the angle detector in the calibration device when performing calibration using the self-calibration method based on the equal division average method.
  • the calibration of the scale including the influence of the shaft eccentricity of the angle detector itself and the secular change of the angle detector, is performed by the arithmetic device built into the angle detector body or the electrically connected arithmetic device.
  • an angle detector with a self-calibration function that can detect an angular error of the scale, is inexpensive, and can handle a high-speed rotation axis is configured. Focusing on the fact that the synchronous angular error synchronized with the rotation angle of the angular error and the asynchronous angular error due to the asynchronous angular error can be separated by arithmetic processing, an axial shake measuring method for measuring the asynchronous angular error is provided.
  • Self-calibration with shaft run-out measurement function that can also provide shaft run-out measurement function by detecting asynchronous angle error, and can easily set up various kinds of spindles for processing machines, engines, car drive shafts, etc.
  • the object is to provide an angle detector with function.
  • the shaft shake measuring method of the present invention includes a plurality of sensor heads arranged at equiangular intervals around a scale plate fixed to a rotating shaft, and one of the sensor heads is used as a reference sensor head.
  • the sum of measurement differences between the reference sensor head and each of the other sensor heads is obtained, and the sum is divided by the number of the sensor heads to obtain an average value to obtain a self-calibration value.
  • a shaft shake measurement method using an angle detector with a self-calibration function where the sensor head selected as the reference sensor head is sequentially changed to another sensor head, and this is used as the reference head for all sensor heads.
  • Each of the self-calibration values is determined by shifting each self-calibration value by an angle on the scale plate with respect to the specific sensor head.
  • a procedure for adjusting the phase to the self-calibration value when the head is used as a reference head a procedure for obtaining an average value for each self-calibration value after the phase conversion, and the phase conversion from each self-calibration value after the phase conversion Subsequent subtracting the average value for each self-calibration value and extracting only the asynchronous angle error.
  • the angle detector with a self-calibration function has a plurality of sensor heads arranged at equiangular intervals around a scale plate fixed to the rotating shaft, and one of the sensor heads. Is selected as the reference sensor head, the sum of the measurement differences between the reference sensor head and each of the other sensor heads is obtained, and this sum is divided by the number of sensor heads to obtain an average value to obtain a self-calibration value.
  • the sensor head selected as the reference sensor head is sequentially changed to another sensor head, and the self-calibration value when all the sensor heads are used as reference heads.
  • the self-calibration value calculation means for obtaining the respective sensor values, and the respective self-calibration values are shifted by an angle on the arrangement with the specific sensor head, and the specific sensor head is used as a base. From the phase conversion means for adjusting the phase to the self-calibration value in the case of the head, the average value calculation means for obtaining the average value for all the calculation results of the phase conversion means, and the calculation results of the phase conversion means And dynamic error extraction means for subtracting the calculation result of the average value calculation means and extracting only the asynchronous angle error.
  • the arithmetic device built in the angle detector with a self-calibration function or the arithmetic device connected by wiring is provided with the function of extracting the asynchronous angular error in the angle detector itself.
  • the angle detector disposed on the crankshaft or the drive shaft of the automobile can be provided with a function of detecting the shake of the rotating shaft, and the functionality of the angle detector can be enhanced with a small size and a low cost.
  • Diagram showing the principle of the rotary encoder The figure which shows the angle detector which uses equal division mean method
  • the figure which shows the average value of the data of FIG. Diagram showing calculated asynchronous angle error The figure which shows the result which united the time of the asynchronous angle error
  • an angle detector with a self-calibration function which is a premise of the present invention will be described.
  • five sensor heads are arranged at equiangular intervals around a scale plate connected to a rotating shaft, and based on the detected value, an arithmetic unit built in the detector body Alternatively, the following arithmetic processing is performed by an electrically connected arithmetic device to detect the angle.
  • Equation 3 when the j-th sensor head is used as a reference sensor head is developed into the following equation.
  • the cause of the displacement of about 1 ⁇ m obtained from this asynchronous angular error is assumed to be shaft runout caused by the nonuniformity of the ball shape of the ball bearing and the displacement due to the gap between the inner ring and the outer ring of the bearing.
  • the program is added to the arithmetic device built in the angle detector with a self-calibration function, or the arithmetic device connected by wiring, and it is asynchronous with the angle detector itself. Since the function to extract the angle error can be realized, it is inexpensive and small-sized. For example, it is possible to detect a shake of a rotating shaft such as a spindle of a processing machine, a crank shaft of an engine or a drive shaft of an automobile, and a safety device. Or it becomes possible to apply widely as an abnormality detection apparatus etc.

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Abstract

　自己校正機能付き角度検出器に軸ぶれ計測機能をも具備させ、エンジン、自動車のドライブシャフト等への各種セットアップも簡単に行えるようにする。　回転軸に固定した目盛り盤の周囲に等角度間隔に複数のセンサヘッドを配設し、該センサヘッドの一つを基準センサヘッドとして選択したとき、この基準センサヘッドと他のセンサヘッドのそれぞれとの計測差の和を求め、この和を前記センサヘッドの個数で除して平均値を得ることにより自己校正値を求めようにした自己校正機能付き角度検出器を利用する。そして、基準センサヘッドとして選択するセンサヘッドを順次他のセンサヘッドに変更し、すべてのセンサヘッドについて、これを基準ヘッドとした場合の自己校正値をそれぞれ求め、各自己校正値を、特定のセンサヘッドとの配置上の角度分だけずらして、特定のセンサヘッドを基準ヘッドとした場合の自己校正値に位相を合わせる。位相変換したそれぞれの演算結果のすべてについての平均値を求め、位相変換したそれぞれの演算結果から、この平均値を減算し、非同期角度誤差のみを取り出す。

Description

軸ぶれ計測方法及び軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器
　本発明は回転角度を検出するロータリエンコーダ等の角度検出器に関し、特に自己校正機能を備えることにより、角度検出器が出力する角度情報に含まれる使用環境下での取り付け軸偏心、角度検出器の経年変化の影響等により発生する角度誤差も含めた目盛りの校正値を求めることができるようにした自己校正機能付き角度検出器を利用して、加工機械のスピンドルの軸ぶれ、自動車や航空機のエンジンの回転軸ぶれ、自動車の車軸の軸ぶれ等を検出できるようにした、軸ぶれ計測方法及び軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器に関する。
　一般に回転軸の軸ぶれを計測する方法は、電気マイクロによる接触方式、静電容量センサや下記特許文献１にみられるようにレーザーによる非接触方式による方法が主流である。
　接触方式は高速な回転軸には対応できず、また、非接触方式は静電容量センサの場合、測定回転軸とセンサの間の隙間が狭く測定までのセットアップに時間がかかる。
　レーザー式は高価であるがゆえ、ＸＹの２軸を用意するにはコストがかさむといった問題点があった。
　ところで、ロータリエンコーダ等の角度検出器の一般的な原理は、円形の目盛り盤の周囲に目盛りが刻まれ、その目盛り本数を目盛り読み取り用のセンサヘッドで数えることにより角度情報を出力する装置であり、各種の装置が用いられている。角度検出器は、目盛りを人工的に書き込むため、目盛り線は等角度間隔には書き込まれておらず、その目盛り線の位置から得られる角度情報には誤差が生ずる。図１の放射状の直線Ｌ１は、理想的な目盛り線位置（等角度間隔線）であり、放射状の短い破線Ｌ２は、実際の目盛り線位置で、理想位置からの差をプロットしたのが図１の右のグラフになる。
　図１右図の点が角度検出器の目盛り線の校正値になり、図では目盛り線が３６本あるとして描かれているが、実際の角度検出器は数千から数１０万本の目盛り線がある。これらの線を校正する方法として、２つの角度検出器の目盛りを互いに比較し、自己校正する方法が幾つかある。この方法では２つの角度検出器が校正されていなくても、同時に校正することができるため、上位の高精度な角度検出器を必要としない。なお、自己校正の意味は、角度誤差が未知数の２つの角度検出器を比べても、同時に両方の角度誤差である校正値がわかるということである。
　角度の国家標準器（角度測定器）では、角度測定器の内部にある角度検出器とその上部に設置されている被校正角度検出器を、等分割平均法による自己校正方法を用いて校正している。
　図２を用いて等分割平均法を単純化し簡単に説明する。下部の第１角度検出器１１の目盛り盤に配置されている第１センサヘッド１２、１２・・・の一つと、上部の第２角度検出器１３の目盛り盤に配置されている第２センサヘッド１４の目盛り信号の差を測定(SA1)する。次に下部隣の別のセンサヘッド１２と上部の第２センサヘッド１４の差(SA2)を同様に測定する。同様に他の第１センサヘッド１２と第２センサヘッド１４の差を測定し、それら（SA1,SA2,SA3,SA4,SA5）の平均値SAVを求めると、上部の第２角度検出器１３の校正曲線が求まるという方法である。
　下部の第１角度検出器１１から出力される角度誤差をaiとし、上部の第２角度検出器１３から出力される角度誤差をbiとすると差は、SAj=bi-ai+(j-1)N/Mとなり、平均値SAVは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 となる。ここで、i=1,2,3…,Nは目盛り線の番号であり、Nは目盛り盤に設けられた目盛りの総数である。Mは第１センサヘッドの数である。
　第１センサヘッド１２は５箇所設置する場合は一周360°の5分の１の角度間隔で配置する。M個の角度検出器を配置する場合は同様にM分の１の等角度間隔に配置する。これは等分割平均法と読ばれる。
　角度誤差は、図１に示す目盛り線の理想的な位置と実際の位置の角度誤差ばかりでなく、角度検出器自身の軸偏心の影響や角度検出器の経年変化等の影響による角度誤差も含まれている。
　特に、目盛りと軸偏心による角度誤差のように回転角度に同期した同期角度誤差と、回転軸のベアリングによる角度誤差や温度や経年変化のように測定環境に依存した、軸ぶれ等に起因する角度誤差のように、回転角度に非同期な非同期角度誤差とがある。
　出願人は、下記特許文献２に示されるように、等分割平均法による自己校正方法を用いて校正する際に、校正装置内の角度検出器との回転軸の接続時に発生する軸偏心による誤差を解消するために、角度検出器本体に内蔵された演算装置あるいは電気的に接続された演算装置により、角度検出器自身の軸偏心の影響や角度検出器の経年変化等も含めて目盛りの校正値を得ることを可能にすることによって、常に正確な校正を行うことができるとともに、小型化することができるようにした自己校正機能付き角度検出器を提案している。
特許第２９７２６５２号公報 特許第３８２６２０７号公報
　上記特許文献２による自己校正機能付き角度検出器によれば、目盛りの角度誤差を検出し、安価で、しかも、高速な回転軸にも対応し得る精度の高い自己校正機能付き角度検出器を構成することができ、しかも、その角度誤差の回転角度に同期した同期角度誤差と非同期な非同期角度誤差によるものとを、演算処理による分離できることに着目し、非同期角度誤差を計測する軸ぶれ計測方法を提供するとともに、非同期角度誤差を検出できることで軸ぶれ計測機能をも具備させ、加工機械のスピンドル、エンジン、自動車のドライブシャフト等への各種セットアップも簡単に行える、軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するため、本発明の軸ぶれ計測方法は、回転軸に固定した目盛り盤の周囲に等角度間隔に複数のセンサヘッドを配設し、該センサヘッドの一つを基準センサヘッドとして選択したとき、該基準センサヘッドと他のセンサヘッドのそれぞれとの計測差の和を求め、この和を前記センサヘッドの個数で除して平均値を得ることにより自己校正値を求めようにした自己校正機能付き角度検出器を使用した軸ぶれ計測方法であって、前記基準センサヘッドとして選択するセンサヘッドを順次他のセンサヘッドに変更し、すべてのセンサヘッドについて、これを基準ヘッドとした場合の前記自己校正値をそれぞれ求める手順と、各自己校正値を、特定のセンサヘッドとの前記目盛り盤における配置上の角度分だけずらして、該特定のセンサヘッドを基準ヘッドとした場合の自己校正値に位相を合わせる手順と、前記位相変換後の各自己校正値についての平均値を求める手順と、前記位相変換後の各自己校正値から、前記位相変換後の各自己校正値についての平均値を減算し、非同期角度誤差のみを取り出す手順とから構成される。
　また、本発明の軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器は、回転軸に固定した目盛り盤の周囲に等角度間隔に複数のセンサヘッドを配設し、該センサヘッドの一つを基準センサヘッドとして選択したとき、該基準センサヘッドと他のセンサヘッドのそれぞれとの計測差の和を求め、この和を前記センサヘッドの個数で除して平均値を得ることにより自己校正値を求めるようにした自己校正機能付き角度検出器において、前記基準センサヘッドとして選択するセンサヘッドを順次他のセンサヘッドに変更し、すべてのセンサヘッドについて、これを基準ヘッドとした場合の自己校正値をそれぞれ求める自己校正値演算手段と、各自己校正値を、特定のセンサヘッドとの配置上の角度分だけずらして、該特定のセンサヘッドを基準ヘッドとした場合の自己校正値に位相を合わせる位相変換手段と、前記位相変換手段のそれぞれの演算結果のすべてについての平均値を求める平均値演算手段と、前記位相変換手段のそれぞれの演算結果から、前記平均値演算手段の演算結果を減算し、非同期角度誤差のみを取り出す動的誤差抽出手段とを具備している。
　本発明によれば、自己校正機能付き角度検出器に内蔵された演算装置、あるいは配線で接続された演算装置に、角度検出器自体に非同期角度誤差を抽出する機能を具備させたから、例えば、エンジンのクランクシャフトや自動車のドライブシャフトに配置される角度検出器に、回転軸のぶれを検出する機能を具備させることができ、小型軽量、低コストで角度検出器の機能性を高めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ロータリエンコーダの原理を示す図 等分割平均法を用いた角度検出器を示す図 ５個のセンサヘッドを目盛り盤に等間隔に配置した実施例を示す図 前提となる自己校正機能付き角度検出器における各センサヘッドの校正値を計算した結果を示す図 図４の計算結果の位相を合わせたデータを示す図 図５のデータの平均値を示す図 算出された非同期角度誤差を示す図 非同期角度誤差の時間を一体させた結果を示す図 非同期角度誤差を回転面上に定義したＸＹ座標に射影したときの状態を示す図 回転面上に定義したＸＹ座標で非同期角度誤差を表した図
　まず、本発明の前提となる自己校正機能付き角度検出器について説明する。
　本例では、図３のように、回転軸に連結された目盛り盤の周りに５個のセンサヘッドを等角度間隔に配置し、その検出値に基づいて、検出器本体に内蔵された演算装置あるいは電気的に接続された演算装置により、下記のような演算処理を行い、角度検出を行うようになっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　センサヘッドが５個（Ｍ＝５）の場合、j番目のセンサヘッドを基準センサヘッドとしたときの式３は次式に展開される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　このように角度位相を変換した後の平均値を図５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000024
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000026
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000027
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000028
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 　この非同期角度誤差から得られる約１μmの変位の要因は、ボールベアリングのボール形状の不均一性やベアリングの内輪と外輪の隙間による変位を原因とする軸ぶれが想定される。
　以上の、演算処理を、検出器本体に内蔵された演算装置あるいは電気的に接続された演算装置により処理させれば、検出器本体に構造上の改造を伴うことなく、プログラムを追加するだけで、軸ぶれを正確に計測し得る、軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器を実現することができる。
　以上のように本発明によれば、自己校正機能付き角度検出器に内蔵された演算装置、あるいは配線で接続された演算装置に、プログラムソフトを追加するだけで、上述した角度検出器自体に非同期角度誤差を抽出する機能を実現することができるから、安価かつ小型で、例えば、加工機械のスピンドル、エンジンのクランクシャフトや自動車のドライブシャフト等の回転軸のぶれを検出することができ、安全装置あるいは異常検出装置等として広く適用されることが可能になる。
１１　　第１角度検出器
１２　　第１角度検出器に配置されている第１センサヘッド
１３　　第２角度検出器
１４　　第２角度検出器に配置されている第２センサヘッド

Claims (2)

  1. 　回転軸に固定した目盛り盤の周囲に等角度間隔に複数のセンサヘッドを配設し、該センサヘッドの一つを基準センサヘッドとして選択したとき、該基準センサヘッドと他のセンサヘッドのそれぞれとの計測差の和を求め、この和を前記センサヘッドの個数で除して平均値を得ることにより自己校正値を求めようにした自己校正機能付き角度検出器を使用した軸ぶれ計測方法であって、
    　前記基準センサヘッドとして選択するセンサヘッドを順次他のセンサヘッドに変更し、すべてのセンサヘッドについて、これを基準ヘッドとした場合の前記自己校正値をそれぞれ求める手順と、
    　各自己校正値を、特定のセンサヘッドとの前記目盛り盤における配置上の角度分だけずらして、該特定のセンサヘッドを基準ヘッドとした場合の自己校正値に位相を合わせる手順と、
    　前記位相変換後の各自己校正値についての平均値を求める手順と、
    　前記位相変換後の各自己校正値から、前記位相変換後の各自己校正値についての平均値を減算し、非同期角度誤差のみを取り出す手順とからなる軸ぶれ計測方法。
  2. 　回転軸に固定した目盛り盤の周囲に等角度間隔に複数のセンサヘッドを配設し、該センサヘッドの一つを基準センサヘッドとして選択したとき、該基準センサヘッドと他のセンサヘッドのそれぞれとの計測差の和を求め、この和を前記センサヘッドの個数で除して平均値を得ることにより自己校正値を求めようにした自己校正機能付き角度検出器において、
    　前記基準センサヘッドとして選択するセンサヘッドを順次他のセンサヘッドに変更し、すべてのセンサヘッドについて、これを基準ヘッドとした場合の自己校正値をそれぞれ求める自己校正値演算手段と、
    　各自己校正値を、特定のセンサヘッドとの配置上の角度分だけずらして、該特定のセンサヘッドを基準ヘッドとした場合の自己校正値に位相を合わせる位相変換手段と、
    　前記位相変換手段のそれぞれの演算結果のすべてについての平均値を求める平均値演算手段と、
    　前記位相変換手段のそれぞれの演算結果から、前記平均値演算手段の演算結果を減算し、非同期角度誤差のみを取り出す動的誤差抽出手段とを具備した、軸ぶれ計測機能を具備した自己校正機能付き角度検出器。
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