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Die Erfindung betrifft eine Winkelmesseinrichtung, die mit einer Kupplung zur Verbindung zweier Bauteile im Sinne einer drehstarren Ausgleichskupplung, gemäß dem Patentanspruch 1 ausgestattet ist.
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Winkelmesseinrichtungen bzw. Drehgeber, dienen zur Messung von Drehbewegungen eines drehbar gelagerten Körpers, insbesondere einer Welle, über eine oder mehrere Umdrehungen (Multiturn-Funktionsweise). Die Drehbewegung wird dabei inkremental oder absolut erfasst. In Verbindung mit Zahnstangen und Zahnrädern oder mit Gewindespindeln lassen sich mit einer Winkelmesseinrichtung auch lineare Bewegungen messen.
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Zum Ausgleich von beispielsweise Fluchtungsfehlern zwischen der Welle einer Winkelmesseinrichtung und der zu messenden Welle werden häufig Kupplungen verwendet. Die Welle der Winkelmesseinrichtung kann dann starr an die zu messenden Welle angebaut werden. Die Kupplung gleicht axiale und radiale Relativbewegungen zwischen der zu messenden Welle und der Messeinheit der Winkelmesseinrichtung aus, bzw. reduziert die dadurch erzeugten Kräfte. Damit das Messergebnis nicht verfälscht wird, ist es wichtig, dass sich die entsprechende Kupplung drehstarr verhält.
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Derartige Winkelmesseinrichtungen werden häufig an Bearbeitungsmaschinen, insbesondere Werkzeugmaschinen eingebaut. Dabei werden im Betrieb durch diese Maschinen naturgemäß Schwingungen bzw. Vibrationen auf die Winkelmesseinrichtungen übertragen. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass in derartigen Bearbeitungsmaschinen häufig hochdynamische Direktantriebe eingesetzt werden, was die Intensität der Schwingungsanregungen erhöht. Diese Schwingungen können das Messergebnis verschlechtern, insbesondere, wenn die Winkelmesseinrichtung in einem Frequenzbereich angeregt wird, die der Eigenfrequenz der Winkelmesseinrichtung bzw. der Resonanzfrequenz entspricht. Als Folge des verschlechterten Messergebnises können Werkstücke, die durch die betreffenden Bearbeitungsmaschinen hergestellt wurden, Mängel wie etwa eine ungenügende Oberflächenqualität oder mangelnde Konturtreue aufweisen.
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Aus der Offenlegungsschrift
WO 2010/012581 A1 ist eine Winkelmesseinrichtung mit einer schwingungsdämpfenden Ausgleichskupplung bekannt, welche ein dämpfendes Element zwischen der Ausgleichskupplung und dem Körper der Winkelmesseinrichtung aufweist, so dass dieses Element sowohl mit der Ausgleichskupplung als auch mit dem Körper der Winkelmesseinrichtung in Kontakt ist.
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In der
DE 10 2008 060 839 A1 ist eine Winkelmesseinrichtung beschrieben, an welche elastisch eine Zusatzmasse als Schwingungstilger montiert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Winkelmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich unempfindlich gegenüber Schwingungen verhält. Ferner wird durch die Erfindung eine präzise arbeitende Winkelmesseinrichtung geschaffen, welche auch bei großen Wellendurchmessern vergleichsweise geringe Außenmaße aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Winkelmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Entsprechend umfasst die Winkelmesseinrichtung ein Element, zum Beispiel eine Teilungsscheibe, mit einer Winkelskalierung, die durch Detektoren abtastbar ist. Weiterhin weist die Winkelmesseinrichtung ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil auf, wobei beide Bauteile zueinander verschieblich sind. Eine Kupplung ist zur radialelastischen aber drehsteifen Verbindung der Bauteile an beiden Bauteilen befestigt. Die Winkelmesseinrichtung weist außerdem eine Ansteuerungsschaltung auf, wobei an der Kupplung zumindest ein aktives Dämpfungselement angeordnet ist, welches mit Hilfe der Ansteuerungsschaltung betreibbar ist.
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Mit Vorteil ist das aktive Dämpfungselement als ein Piezo-Element ausgestaltet.
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Als Element mit der Winkelskalierung kann insbesondere eine Teilungsscheibe oder eine Teilungstrommel verwendet werden, die eine optisch abtastbare Winkelskalierung in Form einer inkrementalen Strichteilung aufweist bzw. ergänzend oder alternativ eine absolute Teilung mit einer entsprechenden Codierung trägt. Insbesondere kann ein optisch abtastbares Element mit einer Winkelskalierung bzw. eine optisch abtastbare Teilungsscheibe oder Teilungstrommel aus Glas oder Stahl gefertigt sein. Die Erfindung ist aber auch für andere Abtastprinzipien anwendbar, beispielsweise für magnetische oder induktive Abtastprinzipien.
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Weiterhin kann an der Kupplung ein Sensor zur Messung eines Schwingungsparameters, der als Ist-Wert für die Ansteuerungsschaltung verwendbar ist, angeordnet sein. Somit kann in diesem Fall die Ansteuerungsschaltung auch als Regelungsschaltung verstanden werden. Dabei können an der Kupplung mehrere aktive Dämpfungselemente angeordnet sein, wobei zumindest eines der aktiven Dämpfungselemente auch als Sensor zur Messung eines Schwingungsparameters betreibbar ist. Mit Vorteil ist ein aktives Dämpfungselement, je nach Betriebszustand der Winkelmesseinrichtung wahlweise als Aktor oder als Sensor betreibbar.
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Als Schwingungsparameter kann etwa eine Amplitude der Auslenkung der Kupplung ermittelt werden. Insbesondere kann die Verformung des Sensors zur Bestimmung des Ist-Wertes für die Ansteuerungsschaltung herangezogen werden, beispielsweise eine Dehnung oder Krümmung. Als Ist-Wert kann alternativ oder ergänzend zur Amplitude der Auslenkung der Kupplung auch die von der Winkelmesseinrichtung ermittelte Drehzahlabweichung der tatsächlichen Drehzahl einer zu messenden Welle verwendet werden. In diesem Fall kann die Ansteuerungsschaltung bei Erreichen einer bestimmten Frequenz der Drehzahlabweichung, in welchem die Winkelmesseinrichtung erfahrungsgemäß zu starken Schwingungen neigt, ein aktives Dämpfungselement entsprechend betätigen. Außerdem kann die Winkelmesseinrichtung so konfiguriert sein, dass durch Analyse von Oberwellen, die während des Betriebs der Winkelmesseinrichtung im Winkelmesssignal auftreten eine entsprechende Ansteuerung des aktiven Dämpfungselements zur Reduzierung der Schwingungsamplitude, bzw. zur Reduzierung der Messungenauigkeit erfolgt. Zu diesem Zweck kann z. B. eine Fast Fourier Transformation vorgenommen und außerdem das systembedingte Schwingungsverhalten berücksichtigt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Winkelmesseinrichtung eine Leiterplatte auf, auf welcher sowohl die Ansteuerungsschaltung und die Detektoren angeordnet sind. Die gesamte Ansteuerungsschaltung kann in einem integrierten Schaltkreis ausgeführt sein. Weiterhin kann zudem auf der Leiterplatte eine Auswerteschaltung angeordnet sein, durch welche die von den Detektoren erzeugten Signale weiterverarbeitbar sind. Die Detektoren und die Auswerteschaltung können beispielsweise in einem einzigen elektronischen Baustein integriert sein.
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Komponenten der Kupplung sind mit Vorteil an so genannten Knotenbereichen miteinander verbunden, wie Stäbe eines Fachwerks, die über einen Knotenpunkt miteinander verbunden sind. Im Idealfall kann also der Knotenbereich zu einem Knotenpunkt reduziert werden. In der Realität entspricht beispielsweise der Knotenbereich einem biegeweichen Festkörpergelenk. So kann sich bei der Kupplung der von benachbarten Basiselementen eingeschlossene Winkel bei Belastung im Betrieb der Kupplung verändern. Die Biegeweichheit bezieht sich hier im Wesentlichen auf die Reaktion der Knotenbereiche auf eine Einleitung von radial oder axial gerichteten Kräften.
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Wenn die Kupplung Knotenbereiche aufweist, kann es vorteilhaft sein, dass das aktive Dämpfungselement, welches als Aktor dient, an einem der Knotenbereiche angreift. Insbesondere kann das aktive Dämpfungselement an einem der Knotenbereiche befestigt sein und Kräfte können durch das aktive Dämpfungselement in diesen Knotenbereich einleitbar sein. Zudem kann dann auch ein Sensor zur Messung eines Schwingungsparameters als Ist-Wert für die Ansteuerungsschaltung an einem der Knotenbereiche angeordnet sein. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können an einem der Knotenbereiche zwei aktive Dämpfungselemente wirken, wobei ein Dämpfungselement an diesem Knotenbereich als Sensor zur Messung eines Schwingungsparameters betreibbar ist und das zweite Dämpfungselement an diesem Knotenbereich als Aktor zur Krafteinleitung betreibbar ist.
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Alternativ kann anstelle des als Sensor dienenden Dämpfungselements auch ein Sensor eingesetzt werden, welcher keine aktive Dämpfungsfunktion erfüllt, beispielsweise ein Dehnmessstreifen. Zur möglichst guten Unterdrückung von Schwingungsbewegungen kann die Anzahl von aktiven Dämpfungselementen (Aktoren) und/oder Sensoren den Wert 2·n annehmen, wobei n eine natürliche Zahl größer oder gleich 2 ist, insbesondere größer oder gleich 3 bzw. größer oder gleich 4 ist.
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Bei Verwendung mehrerer Sensoren können die Sensoren allesamt auf einer Seite der Kupplung angeordnet sein, während die als Aktoren dienenden aktiven Dämpfungselemente auf der anderen Seite befestigt sein können. Die Erfindung umfasst aber auch Winkelmesseinrichtungen, die an beiden Seiten der Kupplung jeweils als Sensoren und als Aktoren dienende aktive Dämpfungselemente aufweisen.
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Mit Vorteil besteht die Kupplung aus ein und demselben Material etwa aus Metall, insbesondere aus Stahl, und ist in einer bevorzugten Variante aus einem einstückig geformten Blech hergestellt.
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Außerdem kann die Kupplung eben ausgestaltet sein, insbesondere aus einem ebenen Blech gefertigt sein. Demnach ist bei dieser Variante die Kupplung im Prinzip kein räumliches Gebilde, insbesondere kein im Raum gebogenes Blechteil.
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Die Winkelmesseinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass diese einen Rotor mit einer Welle, an der das Element mit der Winkelskalierung drehfest fixiert ist aufweist. Ferner umfasst die Winkelmesseinrichtung einen Stator, wobei das erste Bauteil, das zweite Bauteil und die Kupplung sowie die Detektoren dem Stator zuzuordnen sind und der Rotor relativ zum Stator drehbar angeordnet ist. Folglich ist dann die mit den aktiven Dämpfungselementen ausgestattete Kupplung eine Statorkupplung.
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Zusätzliche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen die:
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1 eine Ansicht auf eine Kupplung von oben,
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2 eine Ansicht auf die Kupplung von unten,
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3 eine Detailansicht auf einen Knotenbereich der Kupplung,
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4 eine Winkelmesseinrichtung mit der Kupplung im Teil-Schnitt,
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5 eine Explosionszeichnung der Winkelmesseinrichtung.
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In der
1 ist eine Draufsicht auf eine Kupplung
1, die in einer Winkelmesseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel angeordnet ist, gezeigt. Diese Bauart der Kupplung
1 entspricht im Übrigen dem Gegenstand der Europäischen Patentschrift
EP 1757908 B1 der Anmelderin. Die Kupplung
1 ist einstückig aus einem ebenen 2 mm starken Blech geformt und umfasst sechs Basiselemente
1.11 bis
1.16 und sechs Laschen
1.31 bis
1.36. Zwischen den Basiselementen
1.11 bis
1.16 sind ebenfalls sechs Knotenbereiche
1.21 bis
1.26 angeordnet. An den Knotenbereichen
1.21 bis
1.26 sind die Laschen
1.31 bis
1.36 entsprechend angeformt. Beispielhaft ist in der
1 der Knotenbereich
1.21 durch eine elliptische Strich-Punkt-Linie hervorgehoben.
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Jede der sechs Laschen 1.31 bis 1.36 weist zwei voneinander beabstandete Stützpunkte 1.311 bis 1.362 auf, die als quadratische Bereiche mit jeweils einer Bohrung ausgestaltet sind. Damit sich die Laschen 1.31 bis 1.36 auch biegeweich verhalten, wenn sie durch Torsionskräfte belastet werden, sind diese vergleichsweise schmal und lang ausgeführt und überdies geschlitzt.
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Jeder der Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 liegt in Umfangsrichtung zwischen zwei Stützpunkten 1.311 bis 1.362, wobei die Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 die Verbindung der Laschen 1.31 bis 1.36 zu den Basiselementen 1.11 bis 1.16 bilden. Die Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 wirken wie Festkörpergelenke. Durch die entsprechend angepasste geometrische Gestaltung der Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 wird zwei benachbarten Laschen 1.31 bis 1.36 bzw. Basiselementen 1.11 bis 1.16 unter Ausnutzung der Materialelastizität eine relative Bewegungsmöglichkeit im Wesentlichen in radialer Richtung verliehen. Die Geometrie ist so angepasst, dass bei radialer oder axialer Belastung der Kupplung 1 in den Knotenbereichen 1.21 bis 1.26 hohe mechanische Spannungen auftreten. Aus diesem Grund weist die Kupplung an den Knotenbereichen 1.21 bis 1.26 in radialer Richtung jeweils die kleinste Ausdehnung auf, wie in der 1 ersichtlich. Die Materialstärke in radialer Richtung ist also in den Knotenbereichen 1.21 bis 1.26 erheblich reduziert. Die Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 und die Laschen 1.31 bis 1.36 sind auf diese Weise also derart konfiguriert, dass diese erheblich biegeweicher sind als die Basiselemente 1.11 bis 1.16. Die Biegeweichheit bezieht sich auf radiale und/oder axiale Belastungen. Demnach führen radiale und/oder axiale Belastungen zu Verformungen in den Knotenbereichen 1.21 bis 1.26 und in den Laschen 1.31 bis 1.36. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist das Flächenträgheitsmoment der Basiselemente 1.11 bis 1.16 um radial ausgerichtete Achsen und um eine axiale Achse (parallel zur Achse Z) wesentlich größer als die entsprechenden Flächenträgheitsmomente der Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 und der Laschen 1.31 bis 1.36. Aus diesem Grund sind die Basiselemente 1.11 bis 1.16 so gestaltet, dass diese zu den Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 verjüngt sind.
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Andererseits ist die Kupplung 1 überaus drehsteif, so dass bei Einleitung von Tangentialkräften in die Stützpunkte 1.311 bis 1.362 praktisch keine Verformungen resultieren, was für die exakte Bestimmung der Winkellage von großer Bedeutung ist.
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An jedem der Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 ist jeweils ein Paar von aktiven Dämpfungselementen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 ausgestaltet sind, befestigt. Gemäß den 1 und 2 sowie der 3, welche eine Seitenansicht aus radialer Richtung auf den Knotenbereich 1.21 darstellt, sind die Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 auf der Kupplung 1 paarweise axial gegenüber liegend zueinander angeordnet. Insbesondere sind im Ausführungsbeispiel die Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 im jeweiligen Knotenbereich 1.21 bis 1.26 auf die Kupplung 1 aufgeklebt. Jedes der Paare der Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 an einem Knotenbereich 1.21 bis 1.26 umfasst jeweils ein Piezo-Element 1.41 bis 1.46, welches als Aktor betrieben wird und jeweils ein Piezo-Element 1.51 bis 1.56, das als Sensor zur Messung eines Schwingungsparameters betrieben wird. Da vorliegend alle Dämpfungselemente als baugleiche Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 ausgestaltet sind, sind also die Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 als Aktor und auch als Sensor betreibbar.
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Die als Sensor eingesetzten Piezo-Elemente 1.51 bis 1.56 dienen zur Messung der Amplitude als Schwingungsparameter, also zur Messung der Auslenkung des jeweiligen Knotenbereichs 1.21 bis 1.26 und geben entsprechende Signale über elektrische Leitungen 1.6 ab. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung der Leitungen 1.6 in den Figuren verzichtet mit Ausnahme der 3.
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In der 4 ist die Winkelmesseinrichtung und deren messtechnische Einrichtungen mit der Kupplung 1 im Teil-Schnitt dargestellt. Die Winkelmesseinrichtung weist eine Lagereinheit 3 auf, die als ein Bauteil einen Außenring 3.2 und eine gegenüber dem Außenring 3.2 um die Achse Z drehbare Hohlwelle 3.1 umfasst. Die drehbare Hohlwelle 3.1 ist gemäß der 4 so angeordnet, dass diese die Kupplung 1 durchdringt.
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An der Hohlwelle 3.1 ist ein Element, hier eine Teilungsscheibe 5, auf welcher sich eine Winkelteilung bzw. eine inkrementale und/oder absolute Winkelskalierung befindet, durch Kleben drehfest angebracht. Am Außenring 3.2 ist eine Leiterplatte 4 beispielsweise mittels Schrauben befestigt. Eine Lichtquelle, hier eine LED 10, sendet Licht durch einen Kondensor 11 und eine mit einer Strichteilung versehenen Abtastplatte 12. LED 10, Kondensor 11 und Abtastplatte 12 sind dabei dem Stator S, also dem stehendem (nicht rotierendem) Teil der Winkelmesseinrichtung zugeordnet.
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Dagegen ist die Teilungsscheibe 5 an der drehbaren Hohlwelle 3.1 befestigt und gehört somit zum Rotor R. Die Teilungsscheibe 5 vermag durch ihre Winkelskalierung das eingestrahlte Licht entsprechend der Winkelstellung der Hohlwelle 3.1 zu modulieren. Das modulierte Licht trifft dann auf Detektoren 4.1 auf der Leiterplatte 4, die hier als Fotoelemente ausgestaltet sind. Dadurch entstehen fotoelektrische Signale, welche die Information über die Winkelstellung der Hohlwelle 3.1 enthalten. Die fotoelektrisch erzeugten Signale werden durch elektronische Bauteile, die eine Auswerteschaltung 4.2 bilden, auf der Leiterplatte 4 weiterverarbeitet. Die weiterverarbeiteten Positionssignale werden schließlich über ein Kabel 7 (5) an ein weiteres Gerät ausgegeben, z. B. an eine Steuerungseinrichtung einer Maschine. Weiterhin befindet sich auf der Leiterplatte 4 eine Ansteuerungsschaltung 4.3, die über die Leitungen 1.6 mit den Piezo-Elementen 1.41 bis 1.46; 1.51 bis 1.56 elektrischen verbunden ist.
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In der 5 ist die Winkelmesseinrichtung mit der Kupplung 1 als Explosionszeichnung gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber sind in der 5 nicht alle Bezugszeichen für die Bauelemente der Kupplung 1 eingetragen. In diesem Zusammenhang wird an dieser Stelle auch auf die 1 verwiesen.
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Drei Laschen 1.31, 1.33, 1.35 der Kupplung 1 werden mit dem Außenring 3.2 verbunden. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel werden zu diesem Zweck durch die Bohrungen in den Stützpunkten 1.311, 1.312; 1.331, 1.332; 1.351, 1.352 Schrauben gesteckt und in Innengewinde des Außenrings 3.2 gedreht. Somit sind also drei Laschen 1.31, 1.33, 1.35 an ihren sechs Stützpunkten 1.311, 1.312; 1.331, 1.332; 1.351, 1.352 an der Lagereinheit 3, insbesondere am Außenring 3.2 starr befestigt.
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Die anderen Laschen 1.32, 1.34, 1.36 werden an einem anderen Bauteil der Winkelmesseinrichtung, hier ein Flansch 2, starr befestigt. Hierfür werden die Bohrungen in den Stützpunkten 1.321, 1.322; 1.341, 1.342; 1.361, 1.362 mit Schrauben versehen und die Laschen 1.32, 1.34, 1.36 entsprechend mit dem Flansch 2 starr befestigt. Auf den Flansch 2 wird abschließend eine Kappe 6 gesetzt und damit verschraubt.
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Durch die Kupplung 1 kann eine zu messende Welle starr und drehfest in die Hohlwelle 3.1 der Winkelmesseinrichtung montiert werden, während der Flansch 2 fest an einem Gehäuse angebaut werden kann, dabei werden innerhalb der zulässigen Toleranzen Fluchtungsfehler ausgeglichen. Das heißt, dass während einer Umdrehung der Hohlwelle 3.1 Verbiegebewegungen in den Knotenbereichen 1.21 bis 1.26 und den Laschen 1.31 bis 1.36 stattfinden, und zwar sowohl in axialer als auch radialer Richtung, abhängig von den tatsächlich vorliegenden Fehlern.
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Ausgelöst durch Schwingungen der Maschine, an welcher die Winkelmesseinrichtung montiert ist, kann eine herkömmliche Winkelmesseinrichtung mechanisch so angeregt werden, dass bei einer Resonanzfrequenz, die zum Beispiel bei etwa 800 Hz liegt, unerwünschte Verschlechterungen in der Messgenauigkeit der Winkelstellung festzustellen sind. Um die Messgenauigkeit zu steigern, wird nun gemäß der Erfindung mit den als Sensoren dienenden Piezo-Elementen 1.51 bis 1.56 die Amplitude der Auslenkung der Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 als Ist-Wert gemessen. Dieser Ist-Wert wird durch die entsprechenden Leitungen 1.6 der Ansteuerungsschaltung 4.3 auf der Leiterplatte 4 zugeführt. In der Ansteuerungsschaltung 4.3 wird der Ist-Wert mit einem vorgebenden Soll-Wert der Amplitude verglichen. Bei ausreichend großer Abweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert der Amplitude wird eine entsprechende Spannung, insbesondere gegenfrequent zum Ist-Wert, an die als Aktoren dienenden Piezo-Elemente 1.41 bis 1.46 angelegt, was eine Krafteinleitung in die Knotenbereiche 1.21 bis 1.26 zu Folge hat, wobei die eingeleitete Kraft den Schwingungen entgegenwirkt.
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Somit liegt im gezeigten Ausführungsbeispiel ein geschlossener Regelkreis vor. Durch diese Maßnahme kann die hohe Präzision der Winkelmessung der Winkelmesseinrichtung über alle Betriebszustände hinweg erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/012581 A1 [0005]
- DE 102008060839 A1 [0006]
- EP 1757908 B1 [0030]
