Integrierter optischer Absolutgeber und Drehmomentmesser

Absolut messende Drehwinkel- und Drehmomentmesssysteme haben in der Industrie eine große Bedeutung. Bislang erfolgt die Erfassung beider Messgrößen getrennt. Im Rahmen dieser Dissertation wird ein berührungsloses Messverfahren zur Erfassung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments untersucht. Um das vorliegende Drehmoment einer mechanischen Welle berührungslos erfassen zu können, werden mit einem Laserverfahren zwei codierte Markierungen in Umfangsrichtung und entsprechendem Abstand aufgebracht, die mittels eines optischen Systems ausgelesen werden. Beide Markierungen codieren jeweils den absoluten Drehwinkel über 360°, sodass bei Erfassung beider Drehwinkel auf eine Winkeldifferenz und indes auf ein vorliegendes Drehmoment geschlossen wird. Die Weiterentwicklung vorhandener Codierungen als auch die Detektierbarkeit der absoluten Drehwinkel und des daraus berechneten Drehmoments sind in dieser Arbeit beschrieben. Darüber hinaus wird die Erfassung der Unrundheit und die Wirkung dieser auf die Winkelmessung im Rahmen der wissenschaftlichen Frage untersucht. Hierzu sind sowohl die Modellvorstellung als auch experimentelle Messergebnisse in der Arbeit beschrieben. Die gleichzeitige Erfassung der Unrundheit bietet die Möglichkeit zur Ermittlung der winkelabhängigen Abstandsänderung, sodass eine Anwendung in der zustandsorientierten Instandhaltung (z. B. von Lagern) denkbar ist. Ferner sind Vorüberlegungen zur industriellen Einsetzbarkeit einbezogen, um eine kompakte Bauweise zu ermöglichen und Datenverarbeitung weiter zu optimieren. In Versuchen mit einem Motorenprüfstand wird das prototypisch umgesetzte Messsystem in der industriellen Praxis untersucht und diskutiert. Bei einer Drehzahl von 500 min^-1 wurde die generelle Machbarkeit der optischen Drehmomentmessung mit einem Fehler von bis zu 11% nachgewiesen.

optisches Drehmomentmesssystem, Drehwinkel, Codierung, Unrundheit, Winkeldifferenzverfahren

Schwarze Markierung als mikrometerskalierte Binärcodierung, die von ultrakurzen gepulsten Lasern mit hohem Kontrast und ohne Abtragung auf Wellen als berührungsloses Sensorsystem zur kombinierten Messung von Winkelposition und Drehmoment aufgebracht wird.

Lasermaterialbearbeitung, Sensoren, Absorption, Bildverarbeitung

Die Messung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments über Sensoren bildet die Grundlage für viele Industriezweige. Kombinierte Sensoren waren bisher nicht verfügbar, sodass durch getrennte Sensoren viel Bauraum beansprucht wird. Außerdem werden die Sensoreinstellungen schnell teuer. Daher wurde ein optisches und berührungsloses Messverfahren zur Erfassung des absoluten Drehwinkel- und Drehmoments entwickelt. In diesem Beitrag werden die Validierungsmethodik, der Aufbau des Prüfstands und die Validierungsergebnisse vorgestellt. Mit einer Winkelauflösung von 0,001 Grad und einer Genauigkeit von mehr als 0,05 Prozent sind die Ergebnisse vielversprechend. Für die industrielle Anwendung sind jedoch weitere Untersuchungen zur Drehmomentenbestimmung und Miniaturisierung des optischen Aufbaus erforderlich.

Absoluter Drehwinkel, Winkeldifferenz, Sensor, Drehmoment

Das Erfassen von Drehmomenten durch Sensoren, sowie das Erzeugen von Drehmomenten, stellt eine wichtige Basis für viele Industriezweige dar. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein optisches, berührungsloses Messverfahren zur absoluten Drehwinkel- und Drehmomentmessung entwickelt. Zum Vergleich mit dem aktuellen Stand der Technik wurde ein Versuchsstand aufgebaut und mit einem Referenzdrehmomentsensor verglichen. Die Ergebnisse dieser Validierung werden in diesem Paper vorgestellt.

Drehmoment, Drehwinkel, Optisch, Validierung

Ein kombiniertes Messverfahren zur optischen Bestimmung des absoluten Drehwinkels und Drehmoments wurde erfolgreich umgesetzt. Sowohl absolute Codierungen des Winkels als auch dazugehörige Produktionstechnologien für die Herstellung geeigneter Markierungen auf der Welle wurden untersucht und erfolgreich umgesetzt.

Der absolute Drehwinkel konnte mit einer Auflösung von etwa 0,001° bei einer Genauigkeit von besser als 0,2° (entspricht 0,05 % v. E.) erfasst werden. Das Drehmoment wurde mit einer Genauigkeit von etwa 3 % v. E. bestimmt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.

Schlussbericht

optisches Messverfahren, Drehmoment, absoluter Drehwinkel

In diesem Paper wird die Bildverarbeitung einer binären Einspurcodierung für die Bestimmung des Drehmoments präsentiert. Das Ziel der wissenschaftlichen Untersuchung ist die Bestimmung des absoluten Drehwinkels eines Zylinders und dem anliegenden Drehmoment. Für die Bildaufnahme werden zwei unabhängige Module genutzt, welche jeweils erlauben, die absolute Drehposition und Drehzahl zu erfassen. Bei gleichzeitiger Nutzung beider, kann das Drehmoment bestimmt werden. Markierungen werden mit einem Laserverfahren aufgebracht, um auch eine spätere Umsetzung zu ermöglichen. Der gewählte technologische Ansatz ist das sog. Winkeldifferenzverfahren. Das Konzept der Bildverarbeitung als auch erste Ergebnisse zur Drehmomentmessung aus der zweifachen absoluten Winkelpositionserfassung werden präsentiert.

Bildverarbeitung, Einspurcodierung, Drehmoment

Für die genaue Steuerung eines automatisierten Systems sowie die Überwachung hinsichtlich seiner Leistung ist die Kenntnis über das Drehmoment und die Drehzahl eine wesentliche Voraussetzung. Darüber hinaus bietet die Speicherung dieser beiden Messgrößen über die Lebensdauer des Systems die Möglichkeit zur langfristigen Zustandsüberwachung. Aktuelle Verfahren zum Messen des absoluten Drehwinkels und Drehmoments haben den Nachteil, dass diese meist ungenau, indirekt und für die Massenproduktion ungeeignet sind. In diesem Artikel wird ein kombiniertes berührungsloses Messverfahren vorgestellt, das auf dem Winkeldifferenzverfahren basiert. Ziel ist die Entwicklung eines kombinierten optischen Messsystems zur Bestimmung des Drehwinkels und des Drehmoments einer Welle und der dazugehörigen Produktionstechnologie für die Aufbringung der Markierung. Das Messverfahren nutzt zwei unabhängige Module, die sowohl getrennt die Winkel- und Drehzahlmessung, als auch zusammengesetzt die Drehmomentmessung erlauben. Zur einfacheren Integration des Systems in eine Anwendung wird auf Codierscheiben und zusätzliche Torsionswellen und Anbauteile verzichtet. Stattdessen werden die Markierungen der Maßverkörperung durch ein Laserverfahren direkt auf die Oberfläche der Welle aufgebracht. Der gewählte technologische Lösungsansatz basiert auf einem berührungslosen und winkelmessenden Verfahren. Das Konzept sowie erste Forschungsergebnisse werden dargestellt.

Absolutdrehwinkelgeber, Winkeldifferenz, kontalktlose kombinierte Messung, Sensor, Drehmoment

Das Winkeldifferenzprinzip ermöglicht das gleichzeitige Messen des relativen und absoluten Drehwinkels sowie des Drehmoments. Hierzu wird die Torsion einer Drehwelle, die infolge des Drehmoments entsteht, über die Differenz von zwei Winkeln erfasst und in das Drehmoment umgerechnet. Heutige Messeinrichtungen verwenden Codierscheiben oder zusätzliche Torsionswellen. Auf die Codierscheiben wird eine inkrementelle oder absolute Maßverkörperung aufgebracht. Torsionswellen werden häufig benutzt, um den Verdrehwinkel der Welle, der infolge der Torsion entsteht, zu vergrößern. Aktuelle Messmethoden zur Drehwinkel- und Drehmomentmessung werden beschrieben.

Drehmoment, Torsion, Drehwinkel

Das Winkeldifferenzprinzip ermöglicht das gleichzeitige Messen des relativen und absoluten Drehwinkels sowie des Drehmoments. Hierzu wird die Torsion einer Drehwelle, die infolge des Drehmoments entsteht, über die Differenz von zwei Winkeln erfasst und in das Drehmoment umgerechnet. Heutige Messeinrichtungen verwenden Codierscheiben oder zusätzliche Torsionswellen. Auf die Codierscheiben wird eine inkrementelle oder absolute Maßverkörperung aufgebracht. Torsionswellen werden häufig benutzt, um den Verdrehwinkel der Welle, der infolge der Torsion entsteht, zu vergrößern. Aktuelle Messmethoden zur Drehwinkel- und Drehmomentmessung werden beschrieben.

Winkeldifferenzprinzip, Drehwinkelmessung, Drehmomentmessung