角度测量装置和用于运行角度测量装置的方法与流程

本发明涉及一种角度测量装置，以及一种运行角度测量装置的方法。尤其是角度测量装置适当地设计用于产生相关于由角度测量装置进行测量的轴的失衡的信息。

背景技术：

用于检测轴的角度位置的角度测量装置广泛地扩展到自动化技术的领域和机床中。其例如用于在受调节的驱动装置的情况中测定位置实际值，该位置实际值对于后续电子件，例如数字控制装置是必须的，从而计算出调节循环的额定值，利用该额定值对驱动装置(例如刀具或者工件的进给)进行控制。在测量设备轴和机器轴之间在此产生机械刚性连接，从而使机器轴的运动直接传递到测量设备轴。角度测量装置为了确定待测量的轴的旋转角度而包含量具，其多数情况是编码盘，在其上设置有刻度结构并且对其的扫描实现了角度位置的确定。在此例如应用了光学，磁性或者还有感应的扫描原理。角度测量可以基于增量的和/或绝对的测量原理。

当今优选地使用以下角度测量装置，其与所基于的测量原理是否或者是绝对的或者增量的，或者即绝对又增量的无关地产生绝对角度值，绝对角度值通过数字的，多数情况串行的数据接口从位置测量装置传输至后续电子件。

特别是当要借助角度测量装置测量与轴的角度位置的驱动器移动较重的负载时，例如像在机床中的圆形工作台的驱动器的情况下，或者当要求高的转数时，例如像在机场的刀具主轴的情况中重要的是，由驱动器移动的质量相对于轴的旋转轴线没有不平衡。

WO 2009/156094描述了一种电机平衡系统。为了确定不平衡性，用于测定转数和由不平衡性所导致的震动的单独的传感器是必需的。传感器信号的评估中央地实现。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种装置，其以简单的方式产生关于轴或者由轴驱动的机器部件的失衡的信息。

现在提出的角度测量装置包括

壳体；

位置检测单元，用于产生角度值，该角度值给出了轴相关于参考位置的角度位置；

接口单元，用于通过数据传输通道与后续电子件通讯，

其中，角度测量装置进一步包括：

至少一个失衡传感器，其由轴的由失衡决定的偏移产生失衡信号；

失衡评估单元，其由失衡信号产生失衡值；以及

信号处理单元，其由角度值和失衡值产生失衡信息，该失衡信息能通过接口单元传输给后续电子件。

本发明的目的还在于提供一种方法，利用该方法能够以简单的方式产生关于轴或者由轴驱动的机器部件的失衡的信息。

该目的通过用于驱动根据本发明的角度测量装置的方法实现。

在此要求保护一种用于驱动根据本发明的角度测量装置的方法，其中

由位置检测单元产生角度值，该角度值给出了轴相关于参考位置的角度位置；

由失衡检测单元从由至少一个失衡传感器产生的失衡信号产生失衡值，该失衡值是用于轴的由失衡决定的偏移的大小(Maβ)，以及

角度值和失衡值被提供给信号处理单元，该信号处理单元基于角度值和失衡值产生失衡信息，该失衡信息包括失衡信号相关于参考位置的相位以及失衡信号的振幅。

也就是对通常用于对轴的角度位置进行测量的已知的角度测量装置进行加强，以产生失衡信息。因此，该角度测量装置形成用于确定失衡的闭合的系统。

本发明的另外的优点以及细节由根据附图进行的接下来的描述给出。

附图说明

图中示出：

图1a是根据本发明的角度测量装置的机械构造，

图1b是根据本发明的角度测量装置的可替换实施方式的机械构造，

图2是根据本发明的角度测量装置的电路框图，

图3是时间上受控地产生失衡值时的信号图表，

图4是位置上受控地产生失衡值时的信号图表，

图5是用于产生失衡信息的信号处理单元的第一实施方式的框图，以及

图6是用于产生失衡信息的信号处理单元的第二实施方式的框图。

具体实施方式

图1a示出了根据本发明的角度测量装置的机械构造，其安装在机器的轴30上。在本实施例中，机器是机床的圆形工作台32。但是根据本发明的角度测量装置通常总是能够用于在机器中检测和评估轴或者由轴驱动的机器部件的失衡。

根据本发明的角度测量装置能够应用其中的其他实例，是打磨机，车床和机床的主轴。

圆形工作台32的轴30相对于(没有示出的)机座通过负载轴承34能旋转地支承。圆形工作台32的每个非对称的负载都导致失衡，其引起负载轴承的随着轴30旋转的部分(进而还有轴30自身)相对于负载轴承34的与机座连接的静止部分的小的偏移。

角度测量装置具有壳体10，其固定在机座上。角度测量装置的轴12通过轴承11能旋转地支承在壳体10中并且与圆形工作台32的轴30机械刚性地连接。为此设置有合适的连接件33。因此，该连接例如能够通过旋拧实现。同样能够设置耦联件，其实现了足够刚性的连接，以便将轴30的偏移传递到轴12上。轴12因此在一定程度上形成轴30的延长部。

轴承11相对于轴12静止的部分通过(仅仅示意性地示出)耦联器13在轴向和径向方向上机械软性地与壳体10连接。该耦联器13为此能够包括弹簧和/或减震件。机械软性连接允许轴承11相对于壳体10的由失衡决定的偏移。在扭转方向上，耦联器13相反刚性地设计，从而实现了精确的角度测量。

具有径向上围绕轴12，30的共同的旋转轴线布置的测量刻度15的量具14又抗扭地与轴12连接，从而圆形工作台32或者其轴30的旋转引起量具14的旋转。

在替换的实施方式中，量具14也抗扭地直接与机器的轴30连接。轴12，轴承11，以及角度测量装置的连接件33因此能够被取消。

测量刻度15包括一个或者多个刻度轨迹，其视角度测量装置的功能原理而定而增量地和/或绝对地编码地设计。

增量的刻度轨迹由一系列规律的编码元素构成，通过扫描这些编码元素产生周期性的，多数尽可能正弦形的位置信号。该位置确定通过对信号周期进行计数以及信号周期的拆分(Bruchteilen)(内插法)实现并且因此是基本相对的。为了能够产生绝对的关系，多数情况下设置有参考标记。其能够布置在单独的刻度轨迹上或者集成在增量的刻度轨迹中。移动经过参考标记能够实现实际的角度值的对应关系。

绝对编码的刻度轨迹能够并行地(例如Gray编码)或者串行地(例如链码，伪随机编码)编码。通过对其扫描产生位置信号，该位置信号直接包含绝对的角度位置。

因为增量的刻度轨迹允许比绝对的情况中更高的角度分辨率，因此在角度测量装置中常常不仅存在增量的刻度轨迹而且还有绝对编码的刻度轨迹。在此，通过对绝对编码的刻度轨迹进行扫描获得绝对位置(粗略定位)并且通过扫描增量的刻度轨迹来提高角度值的分辨率(精确定位)。在这样的装置中也可以放弃参考标记。

角度测量装置所基于的物理扫描原理对于本发明来说不是重要的。因此，例如可以使用光学的、磁性的、电容的或者感应的扫描原理。

根据本发明，在角度测量装置的壳体10中布置有至少一个失衡传感器20，利用其能够测量角度测量装置的轴12的由失衡决定的偏移以及由此引起的圆桌工作台32的轴30的由失衡决定的偏移。其例如能够设计成加速度传感器，其检测轴12在测量方向X上的偏移。

尤其是在利用圆桌工作台移动大的质量时，失衡传感器20的布置是不严格的，因为在能旋转的轴30的情况中系统的所有的组件都受失衡限定地诱发出震动。

然后尤其有利的是，失衡传感器20与轴承11的静止的部分机械刚性地连接，因为在此会预期较大的偏移。在示出的实例中，失衡传感器20布置在电路板22上，其又直接固定在轴承11的静止的部分上。因此，失衡传感器20通过电路板22和轴承11在径向方向中机械刚性地耦联到轴12处。轴12的偏移也直接引起失衡传感器20的偏移。

尤其有利的是，设置有两个失衡传感器20，其测量方向X，Y彼此正交地布置在量具4的旋转平面中。在该种情况中，获得两个彼此以90°相移的，尽可能正弦形的失衡信号，失衡信号以已知的方式能够作为复数函数的实部和虚部，并且失衡信号能够尤其简单地通过内插器电路(Interpolatorschaltung)根据数值和相位角进行评估，该内插器电路在评估来自增量的位置测量装置的位置信号时使用。

如果要附加地检测通过失衡导致的轴12的摆动，能够设置另外的失衡传感器20，其测量在垂直于旋转平面并进而平行于轴12的旋转轴线的测量方向Z上的偏移。

失衡传感器20可以是单个的部件，其布置在电路板22上。然而尤其有利的是，用于在必要的测量方向X，Y，Z上检测失衡的至少两个失衡传感器20包含在一个部件中。

当失衡传感器20以SMD技术来设计时，由制造技术的层面获得特别简单的结构。

在电路板22上可以布置角度测量装置的电路的全部或者部分的组件，例如用于信号处理的组件(数字的和/或模拟的)，以及用于向后续电子件进行信号/输出传输的组件。此外，在电路板22上还完全或者部分地布置有用于通过扫描测量刻度产生位置信号的扫描单元24。

可替换的是，电路板22也能固定在壳体10上并且仅仅将至少一个失衡传感器20与轴承11的静止的部分连接。为了将失衡传感器20连接在电路板22上，此时也可设置有电缆。示出的实施例从制造技术的层面上看刚好因此是特别有利的，因为在壳体10内部的布线成本是最小的。

图1b示出了根据本发明的角度测量装置的可替换的实施方式的机械构造。结合图1a已经描述的组件具有相同的参考标号。

在该实例中，失衡传感器200是位移传感器200，利用其能测量在对应于角度测量传感器的壳体10的参考位置和对应于轴12的参考位置之间的间距d。在示出的实例中，布置在电路板22上的位移传感器200测量至壳体10上的参考面201的间距d。可替换的是，位移传感器也能够与壳体10连接并且测量直接至轴12或者至量具14的间距d。合适的表面在该种情况中能形成参考面。

在位移传感器200中的间距测量可以基于任意的测量原理，例如基于光学的、磁性的，电容的或者感应的。

因为耦联器13允许轴12相对于壳体10的偏移，所以间距d的变化是失衡的大小。类似于加速度传感器的失衡信号，间距d也示出了尽可能正弦形的走向并且具有相应于轴12的旋转的周期时长。

对于实施例也适用设置有用于测量方向X，Y的两个位移传感器200或者甚至用于测量方向X，Y，Z的三个位移传感器200。

图2现在示出了根据本发明的角度测量装置的电路框图。角度测量装置的中央功能单元是位置检测单元50，失衡检测单元60，信号处理单元70，以及接口单元80。

位置检测单元50适当地设计以产生数字的角度值其说明了轴12以及还有轴30相关于参考位置的角度位置。为此，其对应有具有测量刻度15的量具14和用于其扫描的扫描单元24。此外，位置检测单元50包括用于由扫描单元24的扫描信号形成数字角度值的位置评估单元52。

根据对于将扫描单元24的扫描信号处理成角度值来说是必要的处理步骤，位置评估单元52包括不同的功能单元，其执行如放大，信号矫正(偏置矫正，振幅矫正，相位矫正)，内插，刻度周期的计数，A/D转换的处理步骤。

在本发明的范畴中，角度值包括纯粹的绝对值，其说明了具有角度测量装置的最大分辨率的角度位置。附加的是，并行于绝对值还有计数信号作为角度值的一部分传输，计数信号由增量刻度的扫描生成。计数信号通常是两个以90°相移的矩形信号。作为另外的替代方案可以考虑的是，角度测量的绝对值作为角度值传输，该绝对值由绝对地编码的刻度轨迹的扫描产生(粗略位置)，以及可以考虑以下计数信号，其由增量刻度的扫描产生并且其能够例如利用计数器产生精确位置。

在位置检测单元50中的角度值的产生可以连续地实现或者仅仅根据信号处理单元70的请求实现。混合情形也是可以的，从而例如绝对值仅仅根据需求产生，但是计数信号连续地传输。为了向位置检测单元50传输相应的控制信号，尤其是位置请求命令P_RQ，以及向信号处理单元70传输角度值设置有信号导线54。

失衡检测单元60用于产生离散的失衡值，其对应于失衡信号的瞬时值，至少一个失衡信号20产生该失衡信号并且该失衡信号是轴12，30的由失衡决定的偏移的大小。其包括至少一个失衡传感器20以及失衡评估单元62。

在角度测量装置的轴12的(以及进而圆桌工作台32的轴30的)旋转时，失衡信号20产生与轴12，30的失衡相关的，尤其是与远离轴30运动的程度相关的失衡信号。这在轴12有恒定的转数时尽可能是正弦形的，其中轴12的旋转相应于失衡信号的信号周期。

失衡信号被提供给失衡评估单元62，在该失衡评估单元中能由模拟的失衡信号产生数字的失衡信号。失衡评估单元62为此可以包括用于对失衡信号的带宽进行限界和用于滤出高频信号分量的低通滤波器，其覆盖纯粹的失衡信号，该失衡评估单元还包括用于对模拟信号进行数字化的模拟数字转换器。优选的是在此使用西格玛德尔塔转换器。

为了将控制信号，尤其是失衡请求命令U_RQ传输到失衡检测单元60，从而促使生成失衡值并且从而将失衡值u传输给信号处理单元70，设置有合适的信号导线64。

失衡值的产生可以在时间上受控地或位置上受控地实现。

在信号处理单元70中将角度值和失衡值u处理成失衡信息I，该失衡信息实现了其上运行有角度测量装置的装置的平衡。在本发明的范畴中，失衡信息I包括至少一个关于失衡信号的与待测量的轴30的角度位置相关的相位以及失衡信号的振幅的信息。因为失衡信号的振幅与轴的转速相关，因此失衡信号I也可以包括轴的转数。这尤其也适用于当对于测定失衡信息而言没有预设的限定转数时。

为了使角度测量装置中的流程同步并且能够以精确的时间帧运行，在角度测量装置中设置有脉冲发生器72，其产生工作脉冲信号CLK，其作为时基使用。相应的是，工作脉冲信号CLK可以被输送给位置检测单元50，失衡检测单元60，信号处理单元70和接口单元80。

接口单元80实现了与后续电子件100的通信。尤其是接口单元80接收命令以及可能的来自后续电子件100的数据并且将输出数据传输给后续电子件100。对于输出数据，除了失衡信息I之外还例如对角度值进行计数，其通过定位请求命令由后续电子单元100请求。优选的是，接口单元80适用于串行数据传输，其中数据传输根据所选择的物理传输原理通过常规的导线、光纤又或者无线地实现。

在接口单元80和后续电子件100的相应的接口单元(未示出)之间的物理连接通过数据传输通道82产生。数据传输通道82包括所有的必需组件，其实现在角度测量装置的接口单元80和后续电子件100的接口单元之间的数据交换，例如像信号转换构件，数据接收/发射器，导线(电的，光学的)，插接连接器，等等。

图3示出了在时间上受控地产生失衡值时的信号图表。在上部分中示出了在恒定的转数时的轴12，30的旋转角度的变化。从对应于角度值0°的参考位置出发，角度值在对应于轴30旋转一周所需的时长的周期时长T内线性地从0°上升至360°并且然后再次跃回到0°。示出的跃变仅仅由选出的图示出发并且在数学的意义上没有跃变。事实上角度值符合连续的函数。

图3的下部分示出了失衡信号的变化，其由失衡传感器20产生。失衡信号u(t)在恒定的转数时尽可能是正弦形的并且同样具有周期时长T，其对应于轴30旋转一圈的时间。所选择的图示仅仅是理解性的并且示出了失衡信号u(t)的理想化的变化。实际上，在实践中失衡信号u(t)多数叠加有干扰，其由振动或者加速度导致，振动或加速度具有与轴30的失衡不同的起因。

信号处理单元70现在以均匀的时间间隔促使失衡值u的产生，并且只要角度值不连续地产生，还促使产生角度值失衡值u和角度值被存储用于另外的处理。时间间隔通过扫描速率(扫描频率)确定，其根据Nyquist-Shannon采样定理必须超过待扫描的信号的最高待检测的频率的两倍，从而在进一步的信号处理中能够再次由离散值生成初始的信号。在当前的情况中，失衡信号u(t)具有轴30的旋转频率。在以下的前提条件下，即失衡信号u(t)的带宽例如通过应用低通滤波器被限界到轴30的最大的预期旋转频率，这意味着，扫描频率必须超过轴30的旋转频率的两倍，从而能够由离散的失衡值u重建出失衡信号u(t)。然而，在实践中取代最低的理论上可行的扫描速率通常选择明显更高的扫描速率，从而在待测量的轴30的最高待检测的转数的情况中为每圈旋转提供用于进一步的信号处理的足够多的值，尤其是能够实现高的噪音和干扰抑制。在此适宜的是，不一定必须分别同时检测失衡值u和角度值和为了进一步的处理存储失衡值和角度值。

在图3的实例中，在时间点t0至t7产生或者检测出失衡值u0至u7，以及角度值至通常这意味着，分别在时间点ti检测失衡值ui和角度值由此，为信号处理单元70提供值对，以该值对为基础能够得出失衡信息I。尤其是失衡信号u(t)相关于角度测量的参考点的相位以及进而角度值以及失衡信号u(t)的振幅能够被测定，在该角度值处失衡信号u(t)具有最大值umax和/或最小值umin。失衡信息I又能借助接口单元80和数据传输通道82传输给后续电子件100并且能够在那里用于对圆桌工作台32进行平衡。

为了阻止在转数低时对于轴12的每圈旋转产生过多的失衡值ui，能够提出根据转数调整扫描速率。

图4示出了在位置上受控地产生失衡值u时的信号图表。在上部分中再次示出了在恒定的转数时轴12，30的旋转角度的变化，下部分示出了取决于角度值的失衡信号的变化，该失衡信号由失衡传感器20检测。

信号处理单元70现在促使产生轴30的待定义的角度位置的失衡值。在示出的实例中，在角度值从至时产生的失衡值u0至u11(通常在角度值时观察到失衡值ui)，其中，两个依次连续的角度值的角度间隔为45°。为了能够尽可能精确地检测产生失衡值ui的角度值在此有多个有利的方式：

·位置检测单元50或者自控地或者根据信号处理单元70的请求以短的时间间隔产生当前的角度值并且将其输出到信号处理单元70。信号处理单元由两个或者多个依次连续的角度值例如通过外插法测定达到角度值的时间点，在该角度值处应该产生失衡值ui并且在该时间点促使产生失衡值ui。

·位置检测单元50连续地产生实际的角度值并且将相应的当前角度值输出到信号处理单元70。其在角度值的定义的位变换时促使产生失衡值ui。在此有利地选择角度值的各个位的位变换(也就是位的值从1向0或者从0向1的变化)，因为在此自动地给出失衡值ui在轴12的一周旋转上的均匀分布。

·如果计数信号作为角度值的一部分传输，那么其能够(例如通过对信号沿的处理)被用于促使生成失衡值ui。为了降低失衡值ui的数量，计数信号能够通过计数器计数并且仅仅在每个第n次位变换时生成失衡信号ui。在此还有利的是，仅仅使用计数器输出端的唯一的位。

在该方法中，失衡值ui不取决于时间，而是取决于旋转角度。以此为基础，失衡信号也被示出作为轴12的旋转角度的函数并且具有轴12的每圈旋转的刚好一个信号周期。

在位置上受控地产生失衡值特别是有利的，因为与转数或者加速度无关地在轴30的每圈旋转中产生相同数量的失衡值。通过角度值与失衡值的确定的对应关系，失衡信息I的相位信息已经能由失衡值中获取。

与失衡值的产生是否时间上受控地或者位置上受控地实现无关，信号处理单元70通过数字的信号处理方法提供用于产生失衡信号I的系列角度和失衡值。

图5示出了用于由系列的角度值和失衡值ui形成失衡信息I的信号处理单元70的电路框图，角度值和失衡值时间上受控地输送给位置检测单元50和失衡检测单元60。其包括转数确定单元74，滤波单元76和评估单元78。

被输送有角度值的转数确定单元74由角度值确定轴12的旋转频率ω(t)。其被输送给滤波单元76，其设计成自适应带通，其通过频率能够被调整到轴12的旋转频率ω(t)。

与至少一个失衡传感器20是否是加速度传感器、位移传感器、或者可替换的适合失衡测量的传感器无关，失衡信号u(t)总是叠加有干扰信号，其具有与轴12的失衡不同的起因。被调整到轴12的旋转频率ω(t)的滤波单元76因此过滤输送给其的失衡值ui，失衡值代表失衡信号u(t)，滤波单元并且生成系列的已过滤的失衡值wi，其又代表已过滤的失衡信号w(t)。

替代带通，滤波单元76也适于设计用于计算地得出已过滤的失衡值wi或者已过滤的失衡信号w(t)，例如通过傅里叶转换，快速傅里叶抓换(FFT)，或者通过具有窄带的带通滤波器功能的其他信号处理方法。

已过滤的失衡值wi和角度值被输送给评估单元78，其由此产生失衡信息I。为此评估单元78从已过滤的失衡值wi测定出已过滤的失衡信号w(t)的振幅，以及其相关于轴12的角度位置的相位，其通过角度值代表。

此外，评估单元78还被输送有旋转频率ω(t)。其可以补充失衡信息I，从而为了对圆桌工作台32的轴30、或者待被平衡的普通机器进行平衡还可以考虑失衡信号u(t)的振幅的转数相关性。

另一方面，当失衡信息I的测定始终在相同的转数的情况下实现时，在特别简单的情况中可以完全放弃转数确定单元74。这例如可以由后续电子件100预设。在该种情况中，滤波单元76也不必自适应地设计，而是可以被固定地设置到预设的转数。

因为所有对于失衡信号I的测定来说必要的组件都被布置在角度测量装置，所以在制造商处例如还可以在校准工序期间为了结束制造工艺而测定并且存储校准值，其在角度测量装置的运行期间被考虑用于测定失衡信息I。校准值可以涉及信号处理，尤其是信号传播时间，例如像用于将失衡传感器20的输出信号处理成失衡值的时间需求，或者在滤波单元76中的信号传播时间。此外，校准值可以考虑几何情况，例如至少一个失衡传感器20相对于位置测量的参考点的角度位置。

图6示出了用于由系列的失衡值ui形成失衡信息I的信号处理单元70的电路框图，该失衡值由失衡检测单元60位置上受控地输送给信号处理单元。其包括请求单元175，滤波单元176和评估单元178。

请求单元175被输送有角度值为此，位置检测单元50或者连续地产生角度值或者如通过虚线箭头示出的那样作为系列位置请求指令P_RQ来产生角度值该系列位置请求指令由请求单元175以等距的时间间隔中发送给位置检测单元50。在后一种情况中，均匀的时间间隔是有利的。

请求单元175由收到的角度值例如根据上面结合图4描述的有利方法测定应该测定其失衡值ui的时间点，并且在该时间点发送失衡请求命令U_RQ给失衡检测单元60，从而激活测量。

该方法相对于之前描述的实施例具有两个重要的优点：

通过失衡值ui与角度值的固定的对应关系，失衡信息I的相位信息已经单独地包含在失衡值ui中。

通过不取决于时间地而是取决于位置地测定失衡值ui，其也不取决于旋转频率ω(t)以及也许甚至不取决于轴12的加速度。轴12的每圈旋转总是给出失衡值ui的数据组，其精确地相应于失衡信号u(t)的周期。

失衡值ui又被输送给滤波单元176，其过滤出干扰信号并且被过滤的失衡值wi被输出给评估单元178。出于前述的原因，滤波单元176不必自适应地设计，也就是说不需要关于旋转频率ω(t)的信息。

评估单元178又测定失衡信息I，也就是通过已过滤的失衡值wi所代表的失衡信号w(t)的振幅，以及其相关于角度测量的参考点的相位。

为了能够考虑到失衡信号的振幅的转数相关性，请求单元175能够将轴12的转动频率ω(t)输出到评估单元178，从而补充失衡信息I。

尽管在描述的实施例中仅仅示出了仅仅一个失衡传感器20的失衡值ui的处理，但是对于本领域技术人员来说毫无问题的是，尤其对信号处理单元70进行改进，以对多个失衡传感器20的失衡值ui进行处理。

本发明当然不局限于描述的实施例。确切地说，本领域技术人员能够基于公开的实例发展出另外的变体方案。