DE3402351A1

DE3402351A1 - Device for the contact-free transmission of AC voltages between two machine parts which can rotate relative to one another about an axis

Info

Publication number: DE3402351A1
Application number: DE19843402351
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl.-Ing. 7512 Rheinstetten Schröder; Wolfgang 6729 Wörth Stiehl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-01-24
Filing date: 1984-01-24
Publication date: 1985-07-25

Abstract

For the contact-free transmission of measurement data from sensors, and for supplying auxiliary energy to sensors which are fitted on a rotating machine part, in each part one pair of cylindrical air-cored coils are used which are arranged coaxially one above the other in the axial direction. The measurement data are transmitted from the primary coil of the first coil pair with a modulated carrier frequency of approximately 1 MHz, from the moving machine part to the secondary coil which is fitted in a stationary manner; the auxiliary energy, at a frequency of 10 kHz, is transmitted in the reverse direction from the primary coil of the second coil pair, which is arranged in a fixed position, to the secondary coil on the rotating machine part, where it is rectified and supplied to the sensors and electronic auxiliary devices. The transmission device is preferably used on rotating linkages of manipulating apparatuses having tactile sensors. <IMAGE>

Description

Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Wechselspannun-Device for contactless transmission of alternating voltage

gen zwischen zwei relativ zueinander um eine Achse drehbaren Maschinenteilen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Wechselspannungen zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Maschinenteil, insbesondere zum Betrieb von Sensoren, mit einem induktiv gekoppelten ersten Spulenpaar zur Meßdatenübertragung und einem induktiv gekoppelten zweiten Spulenpaar zur Hilfsenergieübertragung.gen between two machine parts that can be rotated relative to one another about an axis The invention relates to a device for the contactless transmission of AC voltages between a rotating and a stationary machine part, especially for operating sensors with an inductively coupled first pair of coils for the transmission of measured data and an inductively coupled second pair of coils for the transmission of auxiliary energy.

Derartige Einrichtungen sind bekannt. So wird beispielsweise in der DE-PS 958 600 eine Anordnung zur Temperaturmessung an umlaufenden Wellen beschrieben, bei der die beiden Spulenpaare einander gegenüberstehend konzentrisch zur Welle angeordnet und mit topfartigen Eisenschirmen umgeben sind. Die Meßdaten werden in Form von Impulsreihen übertragen, die Übertragung der Hilfsenergie erfolgt mit Netzfrequenz. Die Ausführung der Spulenpaare als eisengeschirmt Aggregate erfordert bereits bei der Konstruktion besondere Vorkehrungen hinsichtlich Platzbedarf und Aufbau der Übertragungseinrichtung. Die als Übertragungsfrequenz gewählte Netzfrequenz bedingt einen erheblichen Aufwand an Siebmitteln.Such devices are known. For example, in the DE-PS 958 600 describes an arrangement for temperature measurement on rotating shafts, in which the two pairs of coils are opposite one another and are concentric to the shaft are arranged and surrounded with pot-like iron screens. The measured data are in Transmitted in the form of a series of pulses, the auxiliary power is transmitted at mains frequency. The execution of the coil pairs as iron-shielded units already requires the construction take special precautions with regard to space requirements and structure of the Transmission facility. The network frequency selected as the transmission frequency is conditional a considerable amount of sieve means.

Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Übertragungseinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie in einfacher Weise an konstruktive Gegebenheiten anpaßbar ist, d. h., daß entsprechende Maschinenkonstruktionen ohne weiteres mit dieser Einrichtung nachrüstbar sind und daß sie einfach aufgebaut und betrieben werden kann.There is accordingly the object of a transmission device of To improve the initially mentioned type so that they can be used in a simple manner to constructive Is adaptable to circumstances, d. that is, corresponding machine designs without further can be retrofitted with this device and that it is easy to set up and can be operated.

Eine Lösung der Aufgabe ist mit der Lehre des Anspruchs 1 gegeben. One solution to the problem is given by the teaching of claim 1.

Die Ausführung der Spulenpaare als eisenfreie zylindrische Luftspulen läßt eine Anpassung der Durchmesser in großem Umfang zu, derartige Luftspulen sind mit einfachen Mitteln an den beiden relativ zueinander verdrehbaren Maschinenteilen zu befestigen.The design of the coil pairs as iron-free cylindrical air-core coils allows the diameter to be adjusted to a large extent, such air-cored coils are with simple means on the two machine parts that can be rotated relative to one another to fix.

Die Frequenzen der energie- und der meßdatenübertragenden Wechselspannungen unterscheiden sich um eine bis drei dezimale Größenordnungen, so daß eine gegenseitige Beinflussung vermieden wird. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Frequenz der Wechselspannung zur Hilfsenergieübertragung 10 kHz, die der Trägerfrequenz für die Meßdaten liegt in der Größenordnung von 1 MHz.The frequencies of the alternating voltages that transmit energy and measured data differ by one to three decimal orders of magnitude, so that one is mutual Influence is avoided. In a preferred embodiment, the frequency is the AC voltage for auxiliary power transmission 10 kHz, the carrier frequency for the measurement data is of the order of 1 MHz.

Dadurch können auch aufwendige Abschirmmittel entfallen, da Störeinstreuungen in diesen Frequenzbereichen in geringerem, gut beherrschbarem Umfang auftreten. Die Meßdaten selbst werden beispielsweise digital mit Hilfe von Frequenzumtastung der Trägerfrequenz übertragen.As a result, complex shielding means can be dispensed with, since interference can occur occur in these frequency ranges to a lesser, easily controllable extent. The measurement data themselves are digitally for example with the help of frequency shift keying transmitted at the carrier frequency.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur 1 ein Beispiel für den mechanischen Aufbau der Übertragungseinrichtung dargestellt.To explain the invention, FIG. 1 shows an example for the mechanical structure of the transmission device is shown.

Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung mit der Einrichtung zur Energieübertragung.Figure 2 shows a circuit arrangement with the device for energy transmission.

In Figur 1 ist ein rotierendes Maschinenteil 1, beispielsweise eine Welle eines Drehgelenks, in einem fest angeordneten Maschinenteil 2 koaxial gelagert.In Figure 1 is a rotating machine part 1, for example a Shaft of a swivel joint, mounted coaxially in a fixed machine part 2.

Von den am vorderen, hier nicht gezeigten Ende des Maschinenteils 1 angeordneten Sensoren, bei denen es sich um Meßwertaufnehmer für Druck, Temperatur, Abstand'oder insbesondere um taktile Sensoren an einer Roboterhand handeln kann, führen Zuleitungen zu der Primärspule 1.1 eines ersten Spulenpaars zur Meßdatenübertragung. Die Sekundärspule 1.2 dieses ersten Spulenpaares ist an einem Träger 3, dieser an dem feststehenden Maschinenteil 2 befestigt.From those at the front, not shown here, end of the machine part 1 arranged sensors, which are transducers for pressure, temperature, Distance or, in particular, tactile sensors on a robot hand, lead supply lines to the primary coil 1.1 of a first pair of coils for the transmission of measurement data. The secondary coil 1.2 of this first coil pair is on a carrier 3, this on attached to the stationary machine part 2.

Koaxial dazu und in Achsrichtung folgen die Spulen des zweiten Spulenpaares 2.1, 2.2 für die Übertragung der Hilfsenergie vom feststehenden Maschinenteil 2 auf das rotierende Maschinenteil 1 zum Betrieb der dort angeordneten Sensoren und Signalaufbereitungsschaltungen.The coils of the second coil pair follow coaxially with this and in the axial direction 2.1, 2.2 for the transmission of the auxiliary energy from the stationary machine part 2 on the rotating machine part 1 to operate the sensors and located there Signal conditioning circuits.

Die Primärspule 2.1 ist an dem Träger 3 und die Sekundärspule 2.2 auf dem drehbaren Maschinenteil 1 befestigt, beispielsweise durch Aufkleben. Die Spulen beider Spulenpaare sind als eisenlose zylindrische Luftspulen ausgeführt, die zur Erhöhung der mechanischen Stabilität mit Gießharz vergossen sein können.The primary coil 2.1 is on the carrier 3 and the secondary coil 2.2 attached to the rotatable machine part 1, for example by gluing. the Coils of both pairs of coils are designed as ironless cylindrical air coils, which can be cast with resin to increase mechanical stability.

Der Abstand a zwischen den Primär- und Sekundärspulen der jeweiligen Spulenpaare ist so bemessen, daß er klein gegenüber dem Spulendurchmesser d ist, vorzugsweise d N a/100.The distance a between the primary and secondary coils of the respective Coil pairs is dimensioned so that it is small compared to the coil diameter d, preferably d N a / 100.

Wie aus der Figur zu ersehen ist, sind die Primär- und Sekundärspulen der Spulenpaare in radialer Richtung übereinander angeordnet, so daß einfache konstruktive Maßnahmen zu ihrer Anbringung genügen.As can be seen from the figure, the primary and secondary coils are the coil pairs arranged one above the other in the radial direction, so that simple constructive Measures for their attachment are sufficient.

Figur 2 zeigt ein Schaltungsschema mit der Übertragungseinrichtung zwischen dem feststehenden Maschinenteil 1 und dem rotierenden bzw. um eine Achse drehbaren Maschinenteil 2, auf welchem ein Meßwertaufnehmer 4 angebracht ist, dessen Ausgangssignal einer Schaltung 5 zur Signalaufbereitung, z. B. einem Mikroprozessor, zugeführt ist. Deren vorzugsweise digitales Ausgangssignal steuert einen Modulator 6, dessen Trägerfrequenz von 1 MHz durch Frequenzumtastung mit den Meßdaten moduliert wird. Mit Hilfe des ersten Spulenpaars mit der Primärspule 1.1 und der Sekundärspule 1.2 werden die Meßdaten einem Demodulator 7 und einer weiteren meßwertverarbeitenden Schaltung 8 zugeführt.FIG. 2 shows a circuit diagram with the transmission device between the stationary machine part 1 and the rotating or around an axis rotatable machine part 2 on which a transducer 4 is mounted, whose Output signal of a circuit 5 for signal processing, e.g. B. a microprocessor, is fed. Their preferably digital output signal controls a modulator 6, whose carrier frequency of 1 MHz is modulated by frequency shift keying with the measurement data will. With the help of the first coil pair with the primary coil 1.1 and the secondary coil 1.2 the measurement data are sent to a demodulator 7 and a further measurement value processing Circuit 8 supplied.

Als Hilfsenergie wird in einem fest angeordneten Generator 9 eine konstante Wechselspannung mit der Frequenz 10 kHz erzeugt, der Primärspule 2.1 des zweiten Spulenpaars zuge- führt und auf die Sekundärspule 2.2 auf dem beweglichen Maschinen teil 2 übertragen, wo sie in einer Gleichrichterschaltung 10 gleichgerichtet und geglättet wird. Die an ihrem Ausgang verfügbare konstante Gleichspannung dient zur Speisung der elektronischen Baugruppen, wie z. B. der meßwertverarbeitenden Schaltung 5 und dem Modulator 6, gegebenenfalls auch zur Hilfsenergieversorgung des Meßwertaufnehmers 4.As auxiliary energy in a fixed generator 9 is a constant alternating voltage generated at a frequency of 10 kHz, the primary coil 2.1 of the second pair of coils leads and on the secondary coil 2.2 transferred to the moving machine part 2, where they are in a rectifier circuit 10 is rectified and smoothed. The constant available at its output DC voltage is used to supply the electronic components, such as B. the measured value processing Circuit 5 and the modulator 6, possibly also for the auxiliary power supply of the transducer 4.

6 Patentansprüche 2 Figuren6 claims 2 figures

Claims

Patentansprüche Einrichtung zur kontaktlosen Übertragung von Wechselspannungen, insbesondere zum Betrieb von Sensoren zwischen einem rotierenden und einem feststehenden Maschinenteil, mit einem induktiv gekoppelten ersten Spulenpaar zur Meßdatenübertragung und einem induktiv gekoppelten zweiten Spulenpaar zur Hilfsenergieübertragung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spulen (1.1, 1.2, 2.1, 2.2) als eisenfreie zylindrische, konzentrisch angeordnete Luftspulen ausgebildet sind, deren radialer Abstand (a) in der Größenordnung von 1/100 des Spulendurchmessers (d) liegt. Device for the contactless transmission of alternating voltages, especially for operating sensors between a rotating and a stationary one Machine part with an inductively coupled first pair of coils for the transmission of measurement data and an inductively coupled second pair of coils for transmitting auxiliary power, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the coils (1.1, 1.2, 2.1, 2.2) as iron-free cylindrical, concentrically arranged air coils are formed, the radial distance (a) is on the order of 1/100 of the coil diameter (d).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Primärspule (1.1) des datenübertragenden ersten Spulenpaars (1.1, 1.2) und die Sekundärspule (2.2) des hilfsenergieübertragenden zweiten Spulenpaars (2.1, 2.2) in Achsrichtung hintereinander auf dem rotierenden, die Sekundärspule (1.2) des ersten Spulenpaars und die Primärspule (2.1) des zweiten Spulenpaars in entsprechender Anordnung an dem feststehenden Maschinenteil (2) befestigt sind. 2. Device according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the primary coil (1.1) of the data-transmitting first coil pair (1.1, 1.2) and the secondary coil (2.2) of the auxiliary energy-transmitting second coil pair (2.1, 2.2) one behind the other in the axial direction on the rotating, the secondary coil (1.2) of the first coil pair and the primary coil (2.1) of the second coil pair in Appropriate arrangement are attached to the stationary machine part (2).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenzen der energie-und der datenübertragenden Wechselspannungen sich um eine bis drei dezimale Größenordnungen unterscheiden. 3. Device according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the frequencies of the energy and the data transmitting alternating voltages differ by one to three orders of magnitude.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz der Wechselspannung zur Übertragung der Hilfsenergie 10 kHz und die Trägerfrequenz für die Meßdaten 1 MHz beträgt. 4. Device according to claim 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the frequency of the alternating voltage for the transmission of the auxiliary energy 10 kHz and the carrier frequency for the measurement data is 1 MHz.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Datenübertragung mit Hilfe von Frequenzumtastung erfolgt. 5. Device according to claim 3 or 4, d a d u r c h g e k e n n notices that the data transmission takes place with the help of frequency shift keying.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ihre Verwendung an einem Roboter-Drehgelenk.6. Device according to one or more of the preceding claims, not shown, their use on a robotic swivel joint.