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Dokumentenidentifikation DE112004001038T5 27.07.2006
Titel Optischer Verschiebungs-Drehmomentsensor
Anmelder Matzoll, Robert J., Deltona, Fla., US;
Stapleton, Thomas T., Rochester, Mich., US
Erfinder Matzoll, Robert J., Deltona, Fla., US;
Stapleton, Thomas T., Rochester, Mich., US
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 112004001038
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, EP, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG
WO-Anmeldetag 14.06.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/US2004/018574
WO-Veröffentlichungsnummer 2004111590
WO-Veröffentlichungsdatum 23.12.2004
Date of publication of WO application in German translation 27.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse G01L 3/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Drehmomentsensoren, insbesondere Drehmomentsensoren, die eine berührungslose Optik zur Messung des Drehmoments, des Drehmomentwinkels, der Biegegeschwindigkeit, der Biegerichtung und des Biegefortschritts verwenden.

Ein herkömmliches Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Drehmoments erfordern allgemein physischen Kontakt mit der Mittelachse des Drehmomentsensors. Das Anlegen eines Drehmoments an eine Welle erzeugt zwei Hauptbelastungslinien entlang Schraubenlinien, die auf der Oberfläche der Welle zueinander orthogonal sind. Dehnungsmessstreifen sind in quer verlaufender Anordnung entlang den Schraubenlinien aufgeklebt. Die Dehnungsmessstreifen sind durch Schleifringe mit einer Messelektronik verbunden. Diese Anordnungen sind jedoch schwierig einzurichten.

Berührungslose Drehmomentsensoren auf optischer Basis sind ebenfalls bekannt. Derartige Sensoren nutzen ein Biegeelement bzw. eine Welle, die typischerweise aus Metall gebildet ist. Ein Ende der Welle ist mit einem Antriebselement, wie z. B. einem Motor, verbunden und das andere Ende ist mit einem Werkzeug oder Werkzeugeinsatz verbunden, der ein Befestigungselement, wie z. B. eine Schraube, beispielsweise in einen festgezogenen Zustand antreibt. Ein erhöhtes Drehmoment am Abtriebsende der Welle, wenn die Schraube festgezogen wird, verursacht, dass die Umdrehungen des Abtriebsendes gegenüber den Umdrehungen des angetriebenen Antriebsendes der Welle verzögert sind. Diese Verzögerung kann als eine Anzeige des Ausmaßes der Verdrehung des Abtriebsendes verwendet werden, das proportional zu dem angelegten Drehmoment ist.

Ein Beispiel eines Drehmomentsensors auf optischer Basis wird von Bechtel im US-Patent Nr. 5,001,937 beschrieben. Bechtel zeigt eine Vorrichtung zum Messen des Drehmoments in einer drehenden Welle auf. Die Vorrichtung von Bechtel erfordert die Verwendung eines Bandes, das aus abwechselnden Bereichen mit hohem und niedrigem Reflexionsvermögen besteht. Das Band ist auf der Welle an der gewünschten Messstelle angebracht. Ein Sensorkopf ist jeweils einem Band entsprechend angeordnet. Von dem entsprechenden Sensor wird Licht auf das jeweilige Band projiziert. Ferner erfasst jeder Sensor das von dem bzw. den Bereich(en) mit hohem Reflexionsvermögen des entsprechenden Bandes reflektierte Licht. Die Phasenverschiebung zwischen den Intensitäten des reflektierten Lichts an den Sensorköpfen wird verwendet, um die Torsion der drehenden Welle zu bestimmen.

Es wäre jedoch wünschenswert, einen Drehmomentsensor mit einer berührungslosen Optik zu schaffen, um die Umsetzung wesentlich einfacher als bei den herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen zur Drehmomentmessung zu machen. Ferner wäre es wünschenswert, einen dynamischen Drehmomentsensor zu schaffen, der nicht nur auf die Messung des Drehmoments beschränkt ist, sondern auch in der Lage ist, den Drehmomentwinkel, die Geschwindigkeit des Biegeelements und die Laufrichtung des Biegeelements zu messen.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen entweder des Drehmoments, des Drehmomentwinkels, der Drehzahl des Biegeelements, der Richtung des Biegeelements oder der Drehstrecke des Biegeelements. Die Vorrichtung umfasst einen berührungslosen optischen Drehverschiebungssensor und ein drehbares und kompressibles Biegeelement mit einem Antriebsende und einem Abtriebsende. Der berührungslose optische Drehverschiebungssensor enthält ferner eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtsignals, eine Feldmaske, die so ausgelegt ist, dass sie das Lichtsignal empfängt und ein phasenverschobenes Lichtsignal erzeugt. Das Biegeelement kann ein Muster von reflektierenden und nicht reflektierenden Linien enthalten, die dem Antriebsende und dem Abtriebsende zugeordnet sind. Alternativ können Muster aus reflektierenden und nicht reflektierenden Linien an der Antriebswelle und der Abtriebswelle des Biegeelements sein oder auf die Antriebswelle und die Abtriebswelle projiziert werden.

Der Sensor enthält ferner eine Erfassungseinrichtung zum Empfangen eines Lichtsignals. Die Erfassungseinrichtung empfängt das phasenverschobene Lichtsignal der zu dem Biegeelement und der Feldmaske gehörenden übereinander gelegten Linien oder der übereinander gelegten Linien an dem Antriebsende und dem Abtriebsende des Biegeelements und der Feldmaske und erzeugt ein Ausgangsignal, das das kombinierte Muster der Linien anzeigt.

Das Biegeelement der Vorrichtung kann die reflektierenden und nicht reflektierenden Linien in gleichem Abstand über den Umfang um das Antriebsende und das Abtriebsende des Biegeelements beabstandet enthalten.

Die Feldmaske der Vorrichtung ist um einen Umfang des Biegeelements montiert. Ferner ist die Feldmaske befestigt und durch Befestigungseinrichtungen relativ zu dem Biegeelement feststehend gehalten. In einem Aspekt schließt die Befestigungseinrichtung einen Arm ein, der fest an einem Winkelhalter angebracht ist, der an einem das Biegeelement umgebenden Gehäuse befestigt ist. Alternativ kann die Feldmaske um einen Umfang der Antriebswelle und der Antriebswelle des Biegeelements angebracht sein.

Die lichtundurchlässigen und transparenten Linien der Feldmaske der Vorrichtung haben die gleiche Größe und Richtung.

Die lichtundurchlässigen und transparenten Linien der Feldmaske und die Antriebslinien und Abtriebslinien des Biegeelements bilden ein Moirémuster für reflektierende und nicht reflektierende Linien. Alternativ bilden die lichtundurchlässigen und transparenten Linien der Feldmaske und die Antriebslinien und Abtriebslinien der Kuppler ein Moirémuster für reflektierende und nicht reflektierende Linien.

Das von der Erfassungseinrichtung in der Vorrichtung empfangene Lichtsignal wird digitalisiert und zur Analyse zu einem Signalprozessor übertragen.

Die vorliegende Erfindung definiert ferner ein Verfahren zum optischen Messen entweder des Drehmoments, des Drehmomentwinkels, der Wellendrehzahl oder der Wellenrichtung, enthaltend die Schritte des Vorsehens eines Biegeelements, Koppeln eines Antriebsendes des Biegeelements an einen ein Drehmoment übertragenden Mechanismus, der das Biegeelement proportional zu dem von einem Abtriebsende des Biegeelements auf ein drehbares Element, mit dem das Biegeelement in Eingriff steht, übertragenen Drehmoment verschiebt, und Messen der Verschiebung eines Endes des Biegeelements relativ zu dem anderen Ende, und so eine Drehmomentmessung zu erhalten.

Die vorliegende Erfindung wurde gestaltet, um das komplexe Prüfverfahren zu vereinfachen, das für kritische Verbindungen mit hohem Einbaudrehmoment und Reibungsstreuung erforderlich ist. Der Sensor wurde konstruiert, um einen Drehmomentsensor mit berührungsloser Optik zu schaffen, um die Umsetzung einfacher als bei herkömmlichen Drehmomentmessverfahren und -vorrichtungen zu machen. Ferner schafft die vorliegende Erfindung einen dynamischen Drehmomentsensor, der nicht wie herkömmliche Drehmomentmessvorrichtungen auf das Messen von Drehmoment beschränkt ist, da die Erfindung auch in der Lage ist, den Drehmomentwinkel, die Drehzahl des Biegeelements und die Laufrichtung des Biegeelements zu messen.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die folgende Beschreibung nimmt Bezug auf die beiliegende Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile bezeichnen.

1 ist eine Vorderansicht eines optischen Verschiebungs-Drehmomentsensors gemäß vorliegender Erfindung;

2 ist eine Bilddarstellung des Sensors aus 1, der an eine Steuerschaltung gekoppelt ist;

3 ist eine Wellenform des Abtriebssignals des in 1 gezeigten Sensors;

4 ist eine perspektivische Ansicht des Biegeelements gemäß vorliegender Erfindung;

5A und 5B sind eine Seitenansicht und Draufsicht, die die Wege von reflektiertem Licht zwischen Lichtemittern und Lichterfassungseinrichtungen der in 2 gezeigten Sensoren zeigen;

6A ist eine nebeneinanderliegende bildliche Darstellung von Gradientenlinien auf dem Biegeelement und der Feldmaske;

6B ist eine bildliche Darstellung der Gradientenlinien vor der Belastung;

6C ist eine 6B ähnliche bildliche Darstellung, die jedoch die aus der Torsionsverzögerung der Linien am Abtriebsende des Biegeelements resultierenden Gradientenlinien zeigt;

7 ist ein Wellenformdiagramm, das die Verzögerung zwischen dem Sensor am Antriebsende und dem Sensor am Abtriebsende gemäß vorliegender Erfindung zeigt; und

8 ist eine Seitenansicht, die die Anbringung der Feldmaske über dem in 2 gezeigten Biegeelement zeigt.

9 ist eine Seitenansicht eines Antriebskupplers gemäß vorliegender Erfindung, der reflektierende und nicht reflektierende Linien aufweist.

9A ist eine perspektivische Ansicht des Antriebskupplers aus 9, der ein Keilnaben-Verbindungsprofil für ein Biegeelement mit Keilverbindung aufweist.

10 ist eine perspektivische Ansicht des Biegeelements mit Keilverbindung.

10A ist eine perspektivische Ansicht des Biegeelements mit Keilverbindung, das in das Keilnaben-Verbindungsprofil des Antriebskupplers aus 9 eingeführt ist.

Detaillierte Beschreibung

Unter Bezug auf die Zeichnungen werden nachfolgend die bevorzugten Aspekte der Erfindung nur als Beispiel und nicht zum Zweck der Einschränkung der Erfindung erläutert. 1 und 2 zeigen eine optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung 9, die zur Messung des auf ein drehbares Element, wie z. B. ein Befestigungselement, übertragenen Drehmoments besonders nützlich ist. Die Vorrichtung 9 enthält ein als Biegeelement 18 bezeichnetes Element mit einem Antriebsende 30A und einem Abtriebsende 34A, das in den Drehmomentübertragungsmechanismus zwischengeschaltet ist und welches sich in einem Ausmaß verschiebt, das proportional zu dem auf das Befestigungselement übertragenen Drehmoment ist. Die Verschiebung wird dann gemessen, um eine Messung des Drehmoments zu bewerkstelligen. Das hierin beschriebene berührungslose optische Messverfahren misst das Ausmaß der Verschiebung des Biegeelements, die Drehzahl des Biegeelements und/oder die Richtung des Biegeelements und die Drehstrecke des Biegeelements.

Die Verschiebung kann durch eine Verdrehung oder Kompression des Biegeelements 18 relativ zu der Drehung eines Antriebskupplers 30 bzw. eines Abtriebskupplers 34 auftreten, die an dem Antriebsende 30A bzw. dem Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 angebracht sind.

Obgleich das Biegeelement 18 aus einem Metall, wie z. B. Stahl, gebildet sein könnte, ist das Biegeelement 18 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aus einem verschiebbaren Polymer gebildet, wie z. B. Urethan, Elastomer, synthetisches Gummi etc. Ein aus Urethan gebildetes Biegeelement 18 hat eine ausreichende Steifigkeit, sodass ein Abtriebsende 34A sich über einen breiten Last- und Temperaturbereich unter dem gleichen angelegten Drehmoment wiederholt im gleichen Ausmaß verschiebt. Ferner erhält dadurch, dass das Biegeelement 18 aus einem Polymer, nur als Beispiel aus Urethan gebildet wird, das Biegeelement 18 ein größeres Ausmaß der Biegung oder Verschiebung bei einem niedrigeren Drehmoment, was die exakte Messung bei Vorrichtungen mit niedrigem Drehmoment, wie z. B. Schraubgeräten, erleichtert.

Ein Muster aus dünnen parallelen Linien 28 und 32, abwechselnd reflektierend und nicht reflektierend, ist auf die Enden des Biegeelements 18 aufgebracht, wie in 2 und 4 gezeigt. Alternativ können reflektierende und nicht reflektierende Linien 28 und 32 auf einen Antriebskuppler 30 bzw. einen Abtriebskuppler 34 aufgebracht oder projiziert werden, wie 9 zeigt, an welchen das Biegeelement 18 fest angebracht ist. Wenn die Linien 28 und 32 auf die Enden des Biegeelements 18 aufgebracht sind, können die Linien 28 und 32 parallel zu der Längsachse des Biegeelements 18 sein, wenn das Biegeelement 18 keinen äußeren Kräften ausgesetzt ist.

Wenn die reflektierenden und nicht reflektierenden Linien 28 und 32, wie in 9 und 9A gezeigt, auf den Antriebskuppler 30 und den Abtriebskuppler 34 aufgebracht oder projiziert werden, wird ein Biegeelement 18A mit Keilverbindung verwendet, wie in 10 und 10A gezeigt. 10A zeigt das Biegeelement 18A mit Keilverbindung, das in die Keilnabe 30B des Antriebskupplers 30 eingeführt ist. Der Antriebskuppler 30 und der Abtriebskuppler 34 besitzen Keilnaben-Verbindungsprofile 30B, wie 10A zeigt, die der Keilverbindung des Biegeelements 18A entsprechen, um das Biegeelement 18A zu halten und anzutreiben. Wie 9A zeigt, enthält das an dem Kuppler 30 angebrachte Lager 66 einen silbernen Ring 64. Der Ring 64 wird durch Verwendung eines O-Rings 68 zentriert, der um die Keilnabe 30B gepresst ist, die auf die Rückseite der Kupplung 30 aufgeschweißt ist.

Wenn die reflektierenden und nicht reflektierenden Linien 28 und 32, wie in 6A, 6B und 6C gezeigt, auf das Biegeelement 18 aufgebracht sind, können die Linien 28 und 32 auf die Enden des Biegeelements 18 durch jedes geeignete Mittel einschließlich Druck, Fotoätzung etc. aufgebracht werden. Die Linien 28, 32 sind vorzugsweise um die Enden des Biegeelements 18 über den Umfang gleich beabstandet. Die Linien 28, 32 können teilweise oder vollständig um den Umfang des Biegeelements 18 oder der Kuppler 30 und 34 gebildet werden.

Wenn sich das Biegeelement 18 auf Grund des an einem Ende, wie z. B. dem Antriebsende 30A, angelegten Drehmoments verschiebt, werden die Linien 32 am Abtriebsende 34A relativ zu den Linien 28 am Antriebsende 30A verschoben. Optische Systeme 9 an jedem Ende des Biegeelements 18, die aus einer Lichtquelle 12, einer Feldmaske 14 und einem Siliziumdiodendetektor 16 bestehen, messen diese Verschiebung, wie in 2, 5A und 5B gezeigt.

Obgleich zwei Paare von Lichtquellen 12 und Detektoren 16 an jedem Ende des Biegeelements 18 verwendet werden, versteht es sich, dass dies nur als Beispiel dient, da ein optischer Sensor 9 gemäß vorliegender Erfindung eine einzelne Lichtquelle/Detektor jeweils am Antriebsende 30A und am Abtriebsende 34A haben kann.

Die Lichtquelle 12 kann jede geeignete Lichtquelle sein. Obgleich ein Laser als die Lichtquelle 12 verwendet werden kann, kann gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die Lichtquelle 12 durch eine preiswerte LED gebildet werden.

Die Feldmaske 14 ist aus einem dünnen, transparenten Material gebildet, wie z. B. Kunststofffolie, die in einem geringen Abstand um den Umfang des Biegeelements 18 montiert ist, vorzugsweise über jeder Reihe von Linien 28 und 32. Die Maske 14 ist relativ zu dem rotierenden Biegeelement 18 mittels einer Halterung 50 fest und feststehend gehalten, wie 8 zeigt. Die Halterung 50 enthält einen Träger 52 in Form eines Rings, der zwischen den Enden einer länglichen, zylindrisch geformten Buchse montiert ist, die dazu dient, die Feldmaske 14 für jedes Ende des Biegeelements 18 zu bilden und zu tragen. Gitter- oder Gradientenlinien 15 sind, wie in 2 gezeigt und nachfolgend beschrieben, an den beiden Enden der Buchse gebildet. Alternativ kann die Feldmaske 14 in einem geringen Abstand über den Umfang des Antriebskupplers 30 und des Abtriebskupplers 34 angebracht sein, wenn die reflektierenden und nicht reflektierenden Linien 28 und 32 auf den Antriebskuppler 30 und den Abtriebskuppler 34 aufgebracht oder projiziert werden.

Wie 8 zeigt, ist die Maske 14 in einem kurzen Abstand von der äußeren Oberfläche des Biegeelements 18 durch die Halterung 50 befestigt, die beispielsweise einen mit dem Ring 52 verbundenen Arm 54 enthält. Der Arm 54 ist an einem Haltewinkel 56 durch eine geeignete Befestigungseinrichtung, wie z. B. ein Befestigungselement 58, befestigt. Der Haltewinkel 56 wiederum ist durch eine Befestigungseinrichtung 60 an einem das Biegeelement 18 umgebenden Gehäuse 62 angebracht.

Wie 2 zeigt, enthält die Feldmaske 14 ein Muster aus transparenten und lichtundurchlässigen Linien 15, die eine identische Größe und Richtung haben und hinsichtlich der Beabstandung im wesentlichen identisch mit den Mustern der Linien 28 und 32 an den Enden des Biegeelements 18 sein können. Alternativ können die Linien 15 auf der Feldmaske 14 auch eine andere Beabstandung als die Beabstandung der entsprechenden Linien 28 und 32 auf dem Biegeelement 18 haben. Die Linien 15 können auf der Folie an den geeigneten Positionen durch passende Einrichtungen gedruckt, geätzt oder anderweitig gebildet sein.

Licht aus der Lichtquelle 12 tritt durch die Maske 14 und wird von dem Muster der Linien 28, 32 auf dem rotierenden Biegeelement 18 reflektiert. Das Resultat der Wechselwirkung zwischen dem Muster der Linien 28 und 32 auf dem Biegeelement 18 und dem Muster der Linien 15 auf der Feldmaske 14 bei rotierendem Biegeelement 18 ist eine periodische Veränderung des durch die Feldmaske 14 tretenden Lichtstroms, wenn die reflektierenden Linien 28, 32 auf dem Biegeelement 18 mit den Linien 15 auf der Feldmaske 14 fluchten und nicht fluchten, wie in 6B und 6C gezeigt. Das in 3 von dem Detektor 16 erzeugte Signal ist eine analoge Dreieckwelle 20, deren Frequenz gleich der Frequenz der Linien 28 oder 32 auf dem rotierenden Biegeelement 18 während ihres Durchtritts unter der Feldmaske 14 ist.

Die Linien 15 auf der Maske 14 und die Linien 28, 32 auf dem Biegeelement 18 sind so angeordnet, dass sie Moirémuster bilden, die reflektierende und nicht reflektierende Bereiche sind, welche entstehen, wenn zwei identische, sich wiederholende Muster aus Linien, Kreisen oder Punktanordnungen mit fehlerhafter Fluchtung überlagert werden.

Es versteht sich, dass die Moirémuster nicht in der Maske 14 oder dem Biegeelement 18 erzeugt werden, sondern eher ein Muster eines durch das menschliche Auge erkennbaren Bildes sind. An einigen Stellen überdecken lichtundurchlässige Linien 15 auf der Maske 14 die reflektierenden Linien oder Abstände zwischen den nicht reflektierenden Linien 28, 32 auf dem Biegeelement 18 und erzeugen einen nicht reflektierenden sichtbaren Bereich. Wenn die lichtundurchlässigen Linien 15 auf der Maske 14 mit den nicht reflektierenden Linien 28, 32 auf dem Biegeelement 18 fluchten, scheinen die benachbarten reflektierenden Bereiche zwischen den nicht reflektierenden Linien 15 und 28, 32 durch. Die durch die Bereiche aus reflektierenden und nicht reflektierenden Linien gebildeten Muster bilden die Moirémuster, die von der internen Optik des Sensors 16 abgebildet werden.

Mit dem zunehmenden Aufbau des Drehmoments sind die Linien 32 am Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 gegenüber den Linien 28 am Antriebsende 30A auf Grund der Verschiebung in dem Biegeelement 18 proportional zu dem Drehmoment mehr und mehr verzögert. Während dieser Verschiebung verändert sich die Relativposition des abgebildeten Moirémusters, während das Abtriebsende 34A des Sensors 9, das mit dem rotierenden Kopf des Befestigungselements verbunden ist, hinter dem Antriebsende 30A des Biegeelements 18 zurückbleibt, das mit dem rotierenden Elektrowerkzeug oder der Antriebsquelle verbunden ist. Entsprechend ist das Dreieckwellensignal 20 von dem Detektor 16 am Abtriebsende 34A gegenüber dem Dreieckwellensignal 20 von dem Detektor 16 am Antriebsende 30A verzögert. Diese Signale 20 können durch einen Analog-Digital-Wandler 22 digitalisiert werden, der die in 7 gezeigten Wellenformen abtastet. Die digitale Signaldarstellung kann dann in einen in 2 gezeigten Signalprozessor, wie etwa einen Computer 26, zur Analyse eingegeben werden.

Die Bestimmung des Ausmaßes der Rotationsverzögerung durch Vergleichen der Signale von dem Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 mit dem Antriebsende 30A des Biegeelements 18 erfolgt direkt, muss jedoch die variierenden Drehzahlen des rotierenden Biegeelements 18 berücksichtigen. Die in 3 gezeigten Dreieckwellen 20 verändern ihre Frequenz möglicherweise sehr abrupt, wenn sich das Biegeelement 18 nahe dem Soll-Drehmomentwert verlangsamt.

Bei einem bestimmten Drehmomentwert ist die Verschiebung des Biegeelements 18 gleich der Breite eines Linienpaares (Kombination aus reflektierender und nicht reflektierender Linie). An diesem Punkt sind die Antriebs- und Abtriebs-Detektorwellenformen erneut in Phase, wie dies auch der Fall ist, wenn kein Drehmoment anliegt.

Um eine Zweideutigkeit zu vermeiden, muss das in der in 2 gezeigten Signalanalyseeinrichtung 26 ausgeführte Steuerungsprogramm die Anzahl der vollständigen Zyklen der 360°-Verschiebung, die die in 3 gezeigten Wellenformen durchlaufen haben, Linie für Linie nachverfolgen. Die vollständige Drehmomentmessung ist eine Funktion dieser Zahl plus der teilweisen Verschiebung, die durch den in 2 und 5A gezeigten Detektor 16 des optischen Drehverschiebungssensors 9 durch die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen gemessen wird.

Die Geschwindigkeit sowohl des Antriebsendes 30A als auch des Abtriebsendes 34A des Biegeelements 18 kann durch Messen der Frequenz der Signale (Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt) gemessen werden, die von den Detektoren 16 an dem Antriebsende 30A bzw. dem Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 erzeugt werden.

Die Drehrichtung des Biegeelements 18 kann durch Vorsehen von zwei Erfassungssystemen 16 an jedem Ende des Biegeelements 18 und Vergleichen der von den beiden Erfassungssystemen 16 erzeugten Signale bestimmt werden. Diese Detektoren 16 sind, wie in 5A gezeigt, in der Weise relativ zueinander positioniert, dass die von ihnen erzeugten Signale um 90° phasenverschoben sind. Wenn die beiden Signale in beliebiger Weise als A und B bezeichnet werden, ergibt die Rotation in einer Richtung Signale, bei welchen A um 90° B vorauseilt, siehe 7, wohingegen die Rotation in der entgegengesetzten Richtung Signale erzeugt, bei welchen B um 90° A vorauseilet. Auf diese Weise wird die Rotationsrichtung durch die Relativbeziehung der Phasen zwischen den beiden Signalen bestimmt.

Der Drehmomentwinkel ist der Winkel, über den das Befestigungselement über den Punkt, an dem ein Schwellendrehmoment erreicht ist, hinaus weiter gedreht wird, bis das Soll-Drehmoment erreicht ist. Die Abfolge der Ereignisse, die bei dieser Messung zusammenwirken, ist wie folgt: Bevor das Festziehen des Befestigungselements beginnt, wird ein geringes Drehmoment erzeugt und das Antriebsende 30A und das Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 rotieren mit einer gemeinsamen Geschwindigkeit und mit einer geringen Verschiebung in dem Biegeelement, wie in 2 gezeigt. Wenn das Festziehen des Befestigungselements beginnt, beginnt das Drehmoment anzusteigen und erreicht einen Schwellenwert. Dies führt zu einer Vergrößerung der Verschiebung des Biegeelements 18, die durch die Analyse der Signale der Detektoren 16 am Antriebsende 30A und Abtriebsende 34A erfasst und quantitativ gemessen wird. Die Erfassung des Schwellendrehmoments löst die Messung der Winkeldrehung am Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 aus, wie 2 zeigt. Diese Messung wird fortgeführt, bis das Solldrehmoment erfasst wird. An diesem Punkt ist die Messung des Drehmomentwinkels vollendet und der Wert wird in einem Speicher zur späteren Anzeige, zum Ausdrucken oder Archivieren gespeichert.

Das Enddrehmoment, das größer als das Solldrehmoment sein könnte, wenn der Antriebmechanismus des Befestigungselements nicht ordnungsgemäß gesteuert wird, kann gemessen werden, indem das gemessene Drehmoment an dem Punkt aufgezeichnet wird, an dem das Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 stoppt. Wenn sich das Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 verlangsamt und nahezu stoppt, verändern sich die von den Detektoren 16 erzeugten Signale sehr langsam. Es ist erforderlich, zwischen einer langsamen Veränderung und keiner Veränderung zu unterscheiden. Für die exakte Messung des Enddrehmoments kann es bevorzugt sein, dass die Signale der Detektoren 16 in einem Computerspeicher gespeichert werden und anschließend analysiert werden, um den Zeitpunkt exakt zu bestimmen, an dem das Abtriebsende 34A des Biegeelements 18 gestoppt wurde.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen optischen Messung entweder des Drehmoments, des Drehmomentwinkels, der Wellendrehzahl oder der Wellendrehrichtung durch mindestens entweder ein drehbares und kompressibles Biegeelement mit einem Antriebsende und einem Abtriebsende plus einem Antriebskuppler und einem Abtriebskuppler, eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtsignals, eine aus einem Muster aus lichtundurchlässigen und transparenten Linien gebildeten Feldmaske, die zum Empfangen des Lichtsignals und Erzeugen eines phasenverschobenen Lichtsignals ausgelegt ist, und Detektoreinrichtungen zum Empfangen eines Lichtsignals von überlagerten Linien auf dem Biegeelement und der Feldmaske. Alternativ kann die Detektoreinrichtung das Lichtsignal von den überlagerten Linien des Antriebskupplers und des Abtriebskupplers des Biegeelements und der Feldmaske empfangen und ein Ausgangssignal erzeugen, das das kombinierte Muster der Linien anzeigt.

Zusammenfassung

Vorrichtung und Verfahren zum berührungslasen optischen Messen eines Drehmoments, eines Drehmomentwinkels, einer Wellendrehzahl oder einer Wellenrichtung mit wenigstens einem drehbaren und kompressiblen Biegeelement mit einem Antriebsende und einem Abtriebsende sowie Antriebs- und Abtriebskupplungen, einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtsignals, einer Feldmaske, aus einem Muster aus opaken und transparenten Linien, die so ausgelegt ist, dass sie das Lichtsignal empfängt und ein phasenverschobenes Lichtsignal erzeugt, einer Erfassungseinrichtung zum Empfangen eines Lichtsignals der zu dem Biegeelement und der Feldmaske gehörenden übereinander gelegten Linien. Alternativ kann die Erfassungseinrichtung das Lichtsignal von übereinander gelegten Linien an der Antriebs- und der Abtriebskupplung des Biegeelements und der Feldmaske empfangen und ein Ausgangsignal erzeugen, das das kombinierte Muster der Linien anzeigt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum optischen Messen entweder des Drehmoments, des Drehmomentwinkels, der Wellendrehzahl oder der Wellenrichtung, welches Verfahren die Schritte enthält:

    Vorsehen eines Biegeelements;

    Kuppeln eines Antriebsendes des Biegeelements an einen ein Drehmoment übertragenden Mechanismus, der das Biegeelement proportional zu dem von einem Abtriebsende des Biegeelements auf ein drehbares Element, mit dem das Biegeelement in Eingriff steht, übertragenen Drehmoment verschiebt; und

    Messen der Drehverzögerung eines Endes des Biegeelements relativ zu dem anderen Ende, und so eine Drehmomentmessung zu erhalten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend den Schritt:

    Messen der gerichteten Drehung des Biegeelements durch Vorsehen von Erfassungseinrichtungen an jedem Ende des Biegeelements und Vergleichen der von den Erfassungseinrichtungen erzeugten Signale.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend den Schritt:

    Messen des Drehmomentwinkels durch Aufzeichnen des Punkts, an dem ein Schwellendrehmoment erreicht wird, und anschließendes Messen der Winkelbewegung des Abtriebsendes des Biegeelements, bis ein Solldrehmoment erreicht ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend den Schritt:

    Messen der Drehzahl des Biegeelements durch Messen der Frequenz der übertragenen Signale, die von Erfassungseinrichtungen entweder am Antriebsende oder am Abtriebsende des Biegeelements erzeugt werden.
  5. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung zur Verwendung in Verbindung mit einem Drehmoment übertragenden Mechanismus, welcher berührungslose optische Drehverschiebungssensor enthält:

    mindestens entweder ein drehbares und kompressibles Biegeelement mit einem Antriebsende und einem Abtriebsende;

    eine Einrichtung zum Vorsehen eines Musters aus reflektierenden und nicht reflektierenden Linien auf mindestens entweder dem Biegeelement oder einem an dem Biegeelement angebrachten Antriebskuppler und Abtriebskuppler;

    eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht für das Biegeelement;

    eine Feldmaske, die aus einem Muster aus lichtundurchlässigen und transparenten Linien aufgebaut ist und so ausgelegt ist, dass sie von der Lichtquelle durch die Maske übertragenes Licht empfängt, das von den reflektierenden und nicht reflektierenden Linienmustern reflektiert wird, und dass nach dem Empfangen des Lichts die Maske ein phasenverschobenes Lichtsignal erzeugt; und

    eine Detektoreinrichtung zum Empfangen des phasenverschobenen Lichtsignals.
  6. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das Muster aus reflektierenden und nicht reflektierenden Linien an dem Antriebsende und dem Abtriebsende des Biegeelements angeordnet ist.
  7. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das Muster aus reflektierenden und nicht reflektierenden Linien mindestens entweder auf den Antriebskuppler und den Abtriebskuppler aufgebracht oder projiziert ist.
  8. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher der Antriebskuppler und der Abtriebskuppler mit einem Biegeelement mit Keilverbindung verbunden sind.
  9. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Feldmaske das phasenverschobene Lichtsignal basierend auf dem reflektierten Linienmuster auf mindestens entweder dem rotierenden Biegeelement oder dem Antriebskuppler und dem Abtriebskuppler erzeugt.
  10. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Erfassungseinrichtung das phasenverschobene Lichtsignal von entweder überlagerten Linien auf dem Biegeelement und der Feldmaske oder überlagerten Linien von dem Antriebskuppler und dem Abtriebskuppler und der Feldmaske empfängt und ein Ausgangsignal erzeugt, das das kombinierte Muster der Linien anzeigt.
  11. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die reflektierenden und nicht reflektierenden Linien um das Antriebsende und das Abtriebsende des Biegeelements über den Umfang gleich beabstandet sind.
  12. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Feldmaske aus einem transparenten Material gebildet ist.
  13. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Feldmaske um mindestens entweder einen Umfang des Biegeelements oder einen Umfang des Antriebskupplers und des Abtriebskupplers montiert ist.
  14. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 13, bei welcher die Feldmaske relativ zu dem Biegeelement mittels einer Halterung fest und feststehend gehalten ist.
  15. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher die Halterung einen Träger einschließt.
  16. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die Halterung in Form eines Ringes gebildet ist, der zwischen den Enden einer Buchse montiert ist, die die Feldmaske bildet und trägt.
  17. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher Gitterlinien an jedem Ende der Buchse gebildet sind.
  18. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, bei welcher die Halterung einen mit einem Ring verbundenen Arm einschließt.
  19. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher der Arm durch eine Befestigungseinrichtung fest an einem Haltewinkel befestigt ist.
  20. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 19, bei welcher der Haltewinkel an einem das Biegeelement umgebenden Gehäuse befestigt ist.
  21. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die lichtundurchlässigen und transparenten Linien der Feldmaske die gleiche Größe und Ausrichtung haben.
  22. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 21, bei welcher die lichtundurchlässigen und transparenten Linien im wesentlichen die gleiche Beabstandung wie die Antriebslinien und Abtriebslinien auf dem Biegeelement haben.
  23. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die lichtundurchlässigen und transparenten Linien der Feldmaske eine unterschiedliche Beabstandung relativ zu der Beabstandung von Antriebslinien und Abtriebslinien auf dem Biegeelement haben.
  24. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 23, bei welcher die lichtundurchlässigen und transparenten Linien der Feldmaske und die Antriebslinien und die Abtriebslinien des Biegeelements ein Moirémuster aus reflektierenden und nicht reflektierenden Linien bilden.
  25. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das von der Detektoreinrichtung empfangene Lichtsignal durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird.
  26. Berührungslose optische Drehverschiebungs-Sensorvorrichtung nach Anspruch 25, bei welcher das digitalisierte Signal zur Analyse zu einem Signalprozessor übertragen wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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