DE19733885A1 - Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln an bewegten Gegenständen mit einer hartmagnetischen Oberfläche und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln an bewegten Gegenständen mit einer hartmagnetischen Oberfläche und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln an bewegten
Gegenständen mit einer hartmagnetischen Oberfläche und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus der Patentliteratur bekannt.
In der Offenlegungsschrift DE 44 24 633 A1 wird ein elektrischer Positionsantrieb,
insbesondere für Schiebedächer von Kraftfahrzeugen beschrieben, das ein Schaltrad
aufweist, auf dem dauermagnetische Markierungen in verschiedenen Positionen und in
verschiedener Ausdehnung aufgebracht sind. Jeder dauermagnetischen Markierung ist ein
Hallsensor zugeordnet. Die Hallsensor-Signale ermitteln die Position des Antriebs und werden
in einer Elektronik mit den Betätigungssignalen zusammen zu Motorsteuersignalen
verarbeitet. Die dauermagnetischen Markierungen können aus Plastoferritstreifen bestehen,
die in Nuten eingeklebt sind.
In der Offenlegungsschrift DE 43 11 267 wird ein Positionsgeber zur Überwachung der
Radialwinkelstellung und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung einer
angetriebenen Welle beschrieben, der einen mit der Welle verbundenen, am Umfang
mehrpolig lateral magnetisierten Läufer aufweist, der mit Magnetfeldsensoren
zusammenwirkt, die auf einer sich senkrecht zur Wellenachse erstreckenden Platine
angeordnet sind und deren Ausgangssignale in entsprechenden Auswerteschaltungen
ausgewertet werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 35 10 651 A1 ist ein inkrementaler Weggeber, insbesondere
Drehwinkelsensor hoher Auflösung bekannt, bei dem einem Inkrementrad mit gebrochener
Umfangsstruktur (Zahnung) eine auf die Strukturänderung mit einer Änderung ihrer
Ausgangsspannung reagierende Sensoreinheit im vorgegebenen Abstand berührungsfrei
gegenüberliegt. Die Sensoreinheit umfaßt zwei Sensorsysteme, die zueinander um eine
viertel Periode der elektrischen Ausgangssignale räumlich versetzt sind oder die bei gleicher
Umfangslage entsprechend räumlich versetzte Rotorstrukturbereiche abtasten, wobei die in
eine Rechteckwellenform umgewandelten Ausgangssignale der beiden Sensorsysteme durch
eine Gatterschaltung (exklusives ODER) so miteinander verknüpft werden, daß sich die
doppelte Impulszahl bei sonst beibehaltenen räumlichen Abmessungen ergibt.
Aus den Offenlegungsschriften DE 39 40 505 A1 und DE 196 14 165 A1 sind
Magnetdetektoren bekannt, bei denen ein Impulszahnrad ein Magnetfeld am
Magnetfeldsensor verändert und wobei aus der Veränderung des Sensorsignales die Position
des Impulszahnrades ermittelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Weg- und Winkelmessung von bewegten
Gegenständen zu schaffen, das gleichermaßen für Linear- und Rotationsbewegungen von
hartmagnetischen Werkstücken geeignet ist und das bei Einzel- und Massenartikeln
kostengünstig realisierbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch das nachstehend beschriebene Verfahren und die auf
dem Verfahren basierende Vorrichtung gelöst.
Auf die Oberfläche eines permanentmagnetischen Materials wird eine Magnetspur
aufmagnetisiert, deren Feldstärke in bestimmter Weise moduliert ist. Die Modulationsfunktion
F(x) ist streng periodisch mit der Periodenlänge Lm. Die Beschreibung bezieht sich zunächst
auf eine einzige Magnetspur in linearer Anordnung (Nachfolgend Meßspur genannt).
Zusätzlich können weitere Magnetspuren aufgebracht werden, um eine weitergehende
Positionsauswertung zu ermöglichen. Eine Maßverkörperung für Winkel wird erreicht durch
Abwicklung der Magnetspur(en) auf dem Umfang eines Kreises. Mindestens zwei
Magnetfeldsensoren tasten die Meßspur ab. Sie sind in einem Meßkopf mechanisch so
angeordnet, daß sie die Magnetspur versetzt abtasten. Der räumliche Versatz ist so gewählt,
daß er vorzugsweise 1/4 Lm beträgt, alternativ auch (n + 1/4) Lm. Wird der Meßkopf in
Längsrichtung der Magnetspur bewegt, so liefern die beiden Magnetfeldsensoren zwei
periodische Signale A und B. Ist die Modulationsfunktion eine Sinusfunktion, und sind beide
Sensoren linear mit der Feldstärke, so sind auch die Signale A und B Sinusfunktionen, die
zueinander phasenversetzt sind. Bei einem Versatz der Magnetsensoren um Lm/4 beträgt die
Phasenversiebung gerade 90°. Eine nachfolgende Auswerte-Elektronik gewinnt daraus in
bekannter Weise die Information über die zurückgelegte Wegstrecke. Ein herkömmliches
Zählverfahren arbeitet mit Schwellwert-Diskriminatoren und Vierfach-Auswertung und liefert:
Xrel = (N.Lm/4).
Die Feinposition innerhalb der Lm/4 Stufung erhält man z. B. durch
Xabs = Lm/360°.arctan(A/B).
Hier ist A und B das sinusförmige Signal der beiden Magnetsensoren. Der zurückgelegte Weg
setzt sich aus Xrel und Xabs zusammen.
Die meisten Anwendungen, z. B. im Maschinenbau, verlangen eine Positions- oder
Winkelangabe in Bezug auf einen vorgegebenen Nullpunkt oder Referenzpunkt. Dieser
Referenzpunkt wird dadurch gewonnen, daß eine zweite Magnetspur aufgebracht wird,
nachfolgend Referenz- oder Hilfsspur genannt. Die Referenzspur braucht im einfachsten Fall
nur eine einzige Singularität zu enthalten (z. B. einen Vorzeichenwechsel), deren Position von
einem Magnetsensor erkannt wird und den Referenzpunkt darstellt. Die Anforderung an die
Genauigkeit dieser Position stellt sich folgendermaßen dar:
Erfindungsgemäß ist die Funktion F(x) streng periodisch mit der Periodenlänge Lm. Das
Meßsystem liefert nach dem Einschalten zunächst keine Information darüber, in welcher
Periode sich die Meßköpfe befinden. Daher wird das System zunächst so lange verfahren, bis
der Meßkopf die Singularität findet. Die zughörige Periode soll die Null-Periode genannt
werden. Innerhalb der Null-Periode wird nun der Quadrant und anschließend Xabs bestimmt.
Das System ist somit referenziert.
Die Anforderung an die Positionsgenauigkeit der Singularität und an die Justiergenauigkeit des
Magnetkopfes braucht nur so weit zu gehen, daß eine sichere Erkennung der Null-Periode
erfolgt.
Die Erfindung wird anhand der Abbildungen näher beschrieben. Fig. 1 stellt einen Schnitt
durch ein Schwerlast-Wälzlager mit einem erfindungsgemäßen Drehwinkelmeßkopf dar. An
einer Halterung (22) ist ein Statorring (23) gelagert, an dem durch Wälzkörper (25) ein
Wälzlagerring (20) drehbar gelagert ist. Der Wälzlagerring (20) trägt einen Drehkranz (21). An
der äußeren Mantelfläche des Wälzlagerringes sind magnetisch codierte Spuren angebracht,
denen gegenüber ein Mantelmeßkopf (10) angeordnet ist, der an einer Meßkopfhalterung (18)
gehalten ist, welche mit der Halterung (22) starr verbunden ist.
Fig. 2 stellt eine schematische Darstellung eines Wälzlagerringes (20) dar. An der
Mantelfläche der Wälzlagerringes (20) ist ein Mantelmeßkopf (10) angeordnet, der die
Sensoren M1, M2, M11, M12, den Referenzsensor R und den Störfeldsensor S trägt. Die
Sensoren M1 und M2 sind der Meßspur 1 (31), die Sensoren M11 und M12 der Meßspur 2
(32) und der Referenzsensor R der Referenzspur (33) zugeordnet. Alle Sensoren bis auf den
Störfeldsensor (17) sind im geringen Abstand zu der Meßfläche (34) angeordnet. Die
Erfindung sieht ferner vor, daß der Meßkopf an der Stirnseite eines Wälzlagerringes
angeordnet ist. In diesem Fall ist der Stirnmeßkopf (11) mit allen Sensoren analog dem
Mantelmeßkopf der Spur (30) auf der Stirnfläche des Wälzlagerringes zugeordnet.
Fig. 3 zeigt die räumliche Anordnung der magnetisch codierten Spuren auf der Meßfläche
(34). Bei der Meßfläche kann es sich um die Mantelfläche eines Wälzlagerringes, um die
Stirnfläche eines Wälzlagerringes oder um die Oberfläche eines Linearmaßstabes handeln.
Dargestellt sind die Bereiche gleicher Magnetisierungsrichtung N und S auf einer
Referenzspur R (33) und auf den Meßspuren 1 und 2 (31, 32). wobei die Meßspuren sich
durch unterschiedliche Periodenlängen Lm auszeichnen.
In Fig. 4 ist die Schaltungsanordnung des Drehwinkelmeßsystemes im Prinzip dargestellt. Die
Signale von den Sensoren (12, 13, 14, 15, 16, 17) werden über Meßverstärker (42, 43, 44, 45,
. . .) einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt. In dieser Auswerteschaltung werden
von den Signalen der Meßsensoren und von dem Signal des Referenzsensors das Signal des
Störfeldsensors subtrahiert und die Amplituden der Modulationssignale normiert. Über eine
Schnittstelle werden entweder analoge Spannungen an eine Steuerung (41) weitergeleitet
oder mittels eines bekannten Datenprotokolles die Position der Referenzmarke bezüglich
eines festen Punktes des Meßkopfes übergeben.
In Fig. 5 sind die Ausgangssignale der Sensoren M1 und M2 als Funktion des Weges x auf der
Meßfläche längs der jeweiligen Spur dargestellt. Die phasenverschobenen Sinuskurven A und
B sind von (hier als konstant angenommenen) Störfeld Ss(x) überlagert. Der Betrag des
Störfeldes kann in der Praxis die Amplitude der Modulationsfunktionen A und B übersteigen,
weshalb in einem Störfeldsensor der nicht von den magnetisch codierten Spuren herrührende
Teil des Magnetfeldes gemessen wird. Es ist auch möglich, das Meßsystem durch einen
Kalibrierlauf zu kalibrieren und das Störfeld rechnerisch zu eliminieren. Dazu werden die
Signale SM1(x) und SM2(x) über mehrere Perioden Lm hinweg gemessen und durch
Bestimmung der jeweiligen Maxima und Minima in der Auswerteelektronik (40) die Meßkurven
auf die Nullinie symmetrisiert.
In Fig. 6 sind Ausführungsformen der Leseköpfe dargestellt. Fig. 6a) zeigt einen
aufgeschnittenen Ferritkern (53), der einen Luftspalt (52) aufweist, der im Abstand von
einigen Mikrometern über die Meßfläche (34) geführt wird. Der Magnetfeldsensor (51) mißt den
magnetischen Fluß im Querschnitt des Ferritkernes. Die Breite des Luftspaltes muß dabei klein
gegenüber der Periodenlänge Lm gewählt werden. Die Periodenlänge Lm beträgt je nach
Genauigkeitsanforderungen 0,01 bis 8 mm; bei einer Periodenlänge von 0,5 mm erhält man
eine Genauigkeit der Winkelposition von 0,001 mm, sofern der Abstand des Lesekopfes von
der Meßfläche im Bereich 0,03 mm konstant gehalten wird und der Analog-Digital-Wandler
eine Auflösung von 8 bit besitzt.
In Fig. 6b) ist eine Lesekopfanordnung gezeigt, bei der der magnetische Fluß in einem
Bandkern aus amorphem Metall (54) geführt, wobei der Fluß im Bandkern in dem
Magnetfeldsensor (51) gemessen wird.
In Fig. 7a) ist ein Lesekopf dargestellt der einen Mehrzellen-Magnetschluß (55) aufweist, der
mit der gleichen Periodenlänge Lm Ausformungen aufweist, die mit den Bereichen gleicher
Magnetisierungsrichtung N zur Deckung bringbar sind. Ein weiterer Mehrzellen-Magnetschluß
(56) der mit den Bereichen S zur Deckung bringbar ist, ist in einem Abstand von wenigstens
einer Periode Lm längs der Meßfläche angeordnet. An dem Mehrzellen-Magnetschluß (55) ist
ein Joch (57) angeordnet, das mit dem Mehrzellen-Magnetschluß (56) einen Spalt bildet, in
dem der Magnetfeldsensor angeordnet ist.
Fig. 7b) zeigt eine einfache Anordnung des Lesekopfes, bei der ein Magnetfeldsensor mit
kleinem aktivem Meßvolumen direkt in kleinem Abstand über der Meßfläche (34) verschiebbar
angeordnet ist.
Fig. 8 stellt eine Anordnung der Drehwinkelmeßkopf-Halterung dar, bei der der Mantelmeßkopf
(10) auf einer Sensorträgerplatte (80) die Sensoren M1, M2 und S trägt. Die
Sensorträgerplatte ist mittels Abstützrollen (81, 82) an der Meßfläche verschiebbar gelagert.
Der Mantelmeßkopf ist mittels Druckfedern (83, 84) an der Meßkopfhalterung (18) derart
angebracht, daß bei Abstandsänderungen zwischen einem raumfesten Bezugspunkt und der
Wälzlagerring-Mantelfläche der Abstand der Sensoren zur Meßfläche (34) stets konstant
bleibt. Anstelle der Rollen können auch Gleitschienen vorgesehen sein. Bei Schwerlastlagern
mit Drehkranzdurchmessern von über 0,5 m können in der Praxis die Abstandsänderungen bis
zu 0,3 mm betragen; der Abstand der Meßsensoren zur Meßfläche muß jedoch je nach
Genauigkeitsanforderungen an das Meßsystem auf 0.01 bis 0,03 mm konstant gehalten
werden.
Durch die z. Teil erheblichen Verformungen des Wälzlagerringes bei Belastung, kann es zu
Gefügeveränderungen im Bereich der Meßfläche (34) kommen, wodurch die Magnetisierung
der magnetisch codierten Spur verändert werden kann. Um den Einfluß der Walkbewegung
auf die Magnetisierung zu verkleinern, ist vorgesehen, in den Wälzlagerring (20) eine Nut (26)
in der Nähe des Außenumfanges einzustechen und die Sensoren M1 und M2 an der
Meßfläche im Bereich der Nut anzuordnen. Bei dem dargestellten Querschnitt des
Wälzlagerringes (20) ist die Meßfläche keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt, sofern
die Wälzkörper nicht in den Bereich der Nut hineinreichen.
In Fig. 9 ist eine Anordnung zum Aufbringen der magnetischen Codierung mittels eines
Mastergoniometers schematisch dargestellt. Auf einem Goniometersockel (70) ist ein
Goniometertisch /1) drehbar gelagert, welcher den zu codierenden Wälzlagerring (20) trägt.
Der Goniometertisch wird von einem Antriebsmotor angetrieben gedreht, wobei die jeweilige
Winkelposition an eine elektronische Codiersteuerung (47) übergeben wird. Wird die
Winkelposition in digitaler Form übergeben, so weist die Steuerung (47) einen Digital-Analog-
Wandler mit Verstärker auf, der den Schreibstrom durch die Schreibspule im Schreibmagnet
(92) synchron zur Drehung des Goniometers steuert. Ebenso wird der Schreibmagnet für die
Referenzspur SMr (91) gesteuert. Wird vom Goniometer ein Analogsignal, das mit der
Winkelposition korreliert ist, übergeben, so wird dieses in der Steuerung (47) phasenrichtig
verstärkt und der Schreibspule zugeführt. Bei einem Winkelmeßsystem wird die Referenzspur
derart codiert, daß die Magnetisierungsfunktion R(x) einen Vorzeichenwechsel von Minus
nach Plus beim Winkel Null (genauer: zur Null-Periode) aufweist, während ein umgekehrter
Vorzeichenwechsel einer anderen Periode, z. B. der bei 180° zugeordnet ist. Die
Vorzeichendefinition ist hier insofern willkürlich, als sie ohne Verletzung der Allgemeingültigkeit
sowohl dem Nord- als auch dem Südpol zugeordnet sein kann. Der Betrag der Funktion R(x) ist
über den gesamten Bereich der Spur konstant und erzeugt im Referenzsensor ein Signal,
dessen Betrag zu Diagnosezwecken verwendet werden kann.
In Fig. 10 ist ein Schreibkopf (90) schematisch dargestellt, wobei eine Schreibspule (94) über
ein Magnetjoch (93) gewickelt ist, das im Bereich der Meßfläche (34) zwei spitz zulaufende und
durch einen Luftspalt getrennte Polschuhe aufweist. Der Schreibstrom ist bei dem Schreibkopf
derart zu wählen, daß das zu codierende Material an der Meßoberfläche bis zur Sättigung
magnetisiert wird. Jeweils vor einem Schreibvorgang wird die Meßfläche wenigstens im
Bereich der Spuren mittels eines Magnetischen Wechselfeldes entmagnetisiert.
Das Codieren der Spuren erfolgt in der Regel vor Zusammenbau des Wälzlagers; es ist jedoch
auch möglich, die Codierung am eingebauten Wälzlager vorzunehmen, sofern dies die
räumlichen Verhältnisse erlauben.
Verzeichnis der Abbildungen:
Fig. 1 Schnitt durch ein Schwerlast-Wälzlager mit Drehwinkelmeßkopf
Fig. 2 Schematische Darstellung eines Wälzlagerringes mit Drehwinkelmeßköpfen
Fig. 3 Räumliche Anordnung der magnetisch codierten Spuren auf der Meßfläche
Fig. 4 Schaltungsanordnung für Drehwinkelmeßsystem
Fig. 5 Signalverläufe an den Magnetfeldsensor-Ausgängen
Fig. 6 Leseköpfe
- a) mit Ferritkern und Hallsensor
- b) mit Band aus amorphem Metall und Hallsensor
Fig. 7 Leseköpfe
- a) Magnetschluß über mehrere gleichartige Magnetbereiche
- b) ohne Magnetschluß
Fig. 8
- a) Ansicht der Drehwinkel-Meßkopfhalterung
- b) Wälzlagerring mit eingestochener Nut
Fig. 9 Anordnung zum Aufbringen der magnetischen Codierung mittels
Mastergoniometer
Fig. 10 Schematische Darstellung des Schreibkopfes
10
Mantelmeßkopf
11
Stirnmeßkopf
12
Sensor M1
13
Sensor M2
14
Sensor M11
15
Sensor M12
16
Referenzsensor R
17
Störfeldsensor S
18
Meßkopfhalterung
20
Wälzlagerring
21
Drehkranz
22
Halterung
23
Statorring
24
Wälzkörper
25
Wälzkörper
26
Nut
30
magnetisch codierte Spur
31
Meßspur 1
32
Meßspur 2
33
Referenzspur
34
Meßfläche
40
elektronische Auswerteschaltung
41
Steuerung
42
Meßverstärker
43
Meßverstärker
45
Meßverstärker
46
Meßverstärker
47
elektronische Codiersteuerung
50
Lesekopf
51
Magnetfeldsensor (Hallsensor)
52
Luftspalt
53
Ferritkern
54
Bandkern aus amorphem Metall
55
Mehrzellen-Magnetschluß
56
Mehrzellen-Magnetschluß
57
Joch
60
Grenze der Magnetisierungsrichtung
61
Bereich gleicher Magnetisierungsrichtung (S)
62
Bereich gleicher Magnetisierungsrichtung (N)
70
Goniometersockel
71
Goniometertisch
80
Sensorträgerplatte
81
Abstützrolle
82
Abstützrolle
83
Druckfeder
84
Druckfeder
90
Schreibkopf
91
Schreibmagnet für Referenzspur
92
Schreibmagnet für Meßspur
93
Magnetjoch
94
Schreibspule
Lm Periodenlänge.
Lm Periodenlänge.
Claims (33)
1. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln an bewegten Gegenständen mit einer
hartmagnetischen Oberfläche mit einer magnetisch codierten Spur in der Meßfläche (34) und
eines, im Bereich der magnetisch codierten Spur angeordneten Meßkopfes mit wenigstens
zwei Magnetsensoren (12, 13),
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch codierte Spur direkt auf die Meßfläche (34)
des wenigstens im Bereich der Spur entmagnetisierten Gegenstandes mittels eines
Schreibkopfes (90) aufmagnetisiert wird und die Spur aus wenigstens einer Meßspur (31) mit
einer mit der Periodenlänge Lm periodisch sich ändernden Magnetisierung besteht und daß
der Meßkopf in konstantem Abstand zur Meßfläche (34) geführt wird, wobei der Abstand im
Bereich zwischen 0,01 mm und 0.05 mm liegt und daß die Magnetsensoren (12, 13) das
statische Magnetfeld der codierten Spur messen und die die Signale der Magnetsensoren (12,
13) einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt werden.
2. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch codierte Spur aus wenigstens zwei Meßspuren
mit unterschiedlichen Periodenlängen Lm besteht.
3. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-2,
dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche eines aus nichtmagentisierbarem Material
bestehenden Gegenstandes eine magnetisierbare Schicht im Bereich der Meßfläche
wahlweise durch Aufdampfen, Sputtern, Kleben, Galvanisieren oder Siebdrucken aufgebracht
wird und mittels eines Schreibkopfes magnetisch codiert wird.
4. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche eines aus weichmagnetischen Material
bestehenden Gegenstandes wahlweise durch Legieren, Diffusion und/oder geeignete
Gefügeänderung, z. B. Laserhärten eine hartmagnetische Schicht im Bereich der Meßfläche
erzeugt wird.
5. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-4
dadurch gekennzeichnet, daß die Spur wenigstens aus einer Meßspur (31) mit einem
periodischen Magnetfeld F(x), welche die Maßverkörperung darstellt, und wenigstens einer
Referenzspur (33) besteht.
6. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-,
dadurch gekennzeichnet, daß der periodische Verlauf F(x) der Magnetfeldstärke längs der
Meßspur (31) eine Sinusfunktion ist.
7. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, daß der periodische Verlauf F(x) der Magnetfeldstärke längs der
Meßspur (31) eine Dreiecksfunktion ist.
8. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspur (31) in Richtung senkrecht zur
Bewegungsrichtung des Gegenstandes eine solche Ausdehnung hat, daß die Sensoren M1
und M2 um vorzugsweise 90° phasenverschoben nebeneinander angeordnet und die
Meßspur mit der Feldstärkenverteilung F(x) phasenverschoben abtasten.
9. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf wenigstens zwei Leseköpfe (50) enthält, die
jeweils aus einem Ferritkern (53) mit zwei Halbschalen bestehen, die auf der der Meßfläche
(34) zugewandten Seite einen schmalen Luftspalt (52) bilden und auf der der Meßfläche (34)
abgewandten Seite einen Spalt aufweisen, in dem ein Magnetfeldsensor (51) zur Messung
des magnetischen Flusses angeordnet ist.
10. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf wenigstens zwei Leseköpfe (50) enthält, die
jeweils aus einem Bandkern aus amorphem Metall (54) mit zwei Halbschalen bestehen, die auf
der der Meßfläche (34) zugewandten Seite einen schmalen Luftspalt (52) bilden und auf der
der Meßfläche (34) abgewandten Seite einen Spalt aufweisen, in dem ein Magnetfeldsensor
(51) zur Messung des magnetischen Flusses angeordnet ist.
11. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsensoren magnetoresistive Halbleiter
(Feldplatten) sind und dem Magnetfeld der magnetisch codierten Spur ein magnetisches
Gleichfeld überlagert wird.
12. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lesekopf (50) aus einem Ferritkern (53) mit zwei
Halbschalen aufgebaut ist und daß die Breite des Luftspaltes der x-fachen Periodenlänge Lm
entspricht, wobei x derart festgelegt ist, daß das Meßsignal F(x) eine einfach auszuwertende
Funktion ergibt.
13. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-,
dadurch gekennzeichnet, daß der Lesekopf einen Mehrzellen-Magnetschluß (55) aufweist
der eine Anzahl n (1 < n < 15) Magnetpole mit der Breite Lm/2 auf der der Meßfläche
zugewanden Seite trägt und auf der der Meßfläche abgewandten Seite ein Joch (57) trägt, das
mit einem weiteren, gleichartig ausgebildeten Mehrzellen-Magnetschluß (56) einen Spalt bildet
in dem ein Magnetfeldsensor (51) zur Messung des magnetischen Flusses angeordnet ist
und daß die beiden Mehrzellen-Magnetschlüsse (55, 56) in einem Abstand, der einem
ganzzahligem Vielfachen der Periodenlänge Lm entspricht, längs der magnetisch codierten
Spur angeordnet sind.
14. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Luftspaltes des Lesekopfes (50) gleich Lm/4
beträgt, und die Magnetisierungsfunktion F(x) eine Rechteckfunktion mit der Periodenlänge Lm
ist.
15. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-14
dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Luftspaltes des Lesekopfes (50) gleich Lm/4
beträgt, und die Magnetisierungsfunktion F(x) eine Funktion mit der Periodenlänge Lm ist,
deren Verlauf so gewählt ist, daß das Meßsignal angenähert eine Sinusfunktion ergibt.
16. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-15,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (12, 13) zur Abtastung der Meßspur (31)
leicht versetzt in Bewegungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei die beiden
Luftspalte einen Abstand haben, der gerade 1/4 der Periodenlänge F(x) beträgt.
17. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-16,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (12, 13) zur Abtastung der Meßspur (31)
in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die beiden Luftspalte einen
Abstand haben, der gerade (n + 1/4) der Periodenlänge Lm beträgt.
18. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspur (33) eine Magnetisierung mit der Feldstärke
R(x) trägt, die einen Vorzeichenwechsel an einem Nullpunkt und einen weiteren
Vorzeichenwechsel an weiteren Referenzpunkten aufweisen kann, ansonsten aber über den
gesamten Verlauf der Referenzspur betragsmäßig konstant ist.
19. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-18,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal des Referenzsensors R (16) zur Kompensation
der Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung, insbesondere bei Annäherung an die
Curietemperatur verwendet wird.
20. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-19,
dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Referenzsensors R (16) in der
Auswerteschaltung dazu verwendet wird, die durch Temperatur und andere Einflüsse bewirkte
Drift von Nullpunkt und Verstärkung der Magnetfeldsensoren oder deren Auswerte-Elektronik
zu erfassen und gegebenenfalls zu kompensieren, wobei die Sensoren und die Elektronik der
Auswerteschaltung thermisch gekoppelt sind und die Auswerteschaltungen für die
Referenzspur und die Meßspuren gleichartig aufgebaut sind.
21. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-20,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspur (33) mehrere Singularitäten, z. B.
Vorzeichenwechsel - nachfolgend "Marken" genannt - aufweist die es gestatten, mehrere
Perioden Lm in sinnvollem Abstand zu markieren, die jeweils als Referenzpunkte verwendbar
sind.
22. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmarken in unterschiedlichem Abstand angebracht
sind und die Abstandsstufung so gewählt ist, daß jeweils eine unterschiedliche Zahl von Lm's
eingeschlossen werden, etwa in aufsteigender Reihe. Damit ist eine Referenzierung bereits
möglich, sobald mindestens zwei Marken überstrichen wurden. Die Anzahl der dazwischen
gezählten LM's erlaubt eine eindeutige Zuordnung zum aktuellen Abstand vom Nullpunkt.
23. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzmarken so angebracht sind, daß der Abstand
eine Binärkodierung darstellt, die die Absolutposition wiedergibt.
24. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-23,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spur mehr als eine Meßspur enthält, die derart codiert
sind, daß in der Auswerteschaltung (40) eine absolute Weg- bzw. Winkelposition errechnet
werden kann.
25. Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln nach einem der Ansprüche 1-24,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand im Bereich der Meßfläche (34) mit einem
hochfrequenten Magnetfeld entmagnetisiert wird.
26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche die äußere Mantelfläche eines Wälzlagerringes
(20) ist und daß der Mantelmeßkopf in konstantem Abstand zur Meßfläche mit Abstützrollen
(81, 82) längs dieser geführt wird.
27. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche die äußere Mantelfläche eines Wälzlagerringes
(20) ist und daß der Mantelmeßkopf in konstantem Abstand zur Meßfläche mit Gleitlagern
längs dieser geführt wird.
28. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf mit Druckfedern (83, 84) zwischen der Halterung
(18) und der Sensorträgerplatte (80) an die Meßfläche angedrückt wird.
29. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche die äußere Mantelfläche eines Wälzlagerringes
ist und daß der Wälzlagerring (20) im Abstand von 2-15mm von der Mantelfläche eine Nut (26)
aufweist, deren Tiefe die Breite der magnetisch codierten Spur übersteigt.
30. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche (34) die Stirnfläche eines Wälzlagerringes (20)
ist und die Spur (30) mit einem Stirnmeßkopf (11) abgetastet wird.
31. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche ein mechanisch nicht belasteter Teil einer
Linearführung ist und ein Stirnmeßkopf an einem längs der Linearführung verschiebbaren
Schlitten angeordnet ist.
32. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfläche einen mechanisch nicht belasteten Teil einer
gehärteten Welle darstellt.
33. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der o.g. Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Gegenstandes Kugellagerstahl ist.
Priority Applications (1)
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DE19733885A DE19733885A1 (de) | 1997-08-05 | 1997-08-05 | Verfahren zum Messen von Wegen und Drehwinkeln an bewegten Gegenständen mit einer hartmagnetischen Oberfläche und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
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