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WO2025099079A1 - Messsystem und verfahren zur bestimmung eines drehmoments und eines kippwinkels - Google Patents

Messsystem und verfahren zur bestimmung eines drehmoments und eines kippwinkels Download PDF

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WO2025099079A1
WO2025099079A1 PCT/EP2024/081377 EP2024081377W WO2025099079A1 WO 2025099079 A1 WO2025099079 A1 WO 2025099079A1 EP 2024081377 W EP2024081377 W EP 2024081377W WO 2025099079 A1 WO2025099079 A1 WO 2025099079A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
shaft
φde2
φde1
measuring system
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/081377
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Brunner
Rainer Hagl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Technische Hochschule Rosenheim
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Technische Hochschule Rosenheim
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH, Technische Hochschule Rosenheim filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
Publication of WO2025099079A1 publication Critical patent/WO2025099079A1/de
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
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    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
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    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/109—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving measuring phase difference of two signals or pulse trains
    • G—PHYSICS
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    • G01L3/24—Devices for determining the value of power, e.g. by measuring and simultaneously multiplying the values of torque and revolutions per unit of time, by multiplying the values of tractive or propulsive force and velocity
    • G01L3/242—Devices for determining the value of power, e.g. by measuring and simultaneously multiplying the values of torque and revolutions per unit of time, by multiplying the values of tractive or propulsive force and velocity by measuring and simultaneously multiplying torque and velocity

Definitions

  • the present invention relates to a measuring system and a method for determining a torque and a tilt angle of a shaft.
  • Background Commercial measuring devices for determining torque generally use strain gauges to determine the deformation caused by a rotating measuring body (e.g. a measuring shaft). If strain gauges are used to determine the torque on the rotating measuring body, the measuring body must be supplied with voltage. In addition, the sensor data must be transmitted from the rotating measuring body to a stationary part. This results in, among other things, dead times that can distort the often highly dynamic measurements.
  • the object of the present invention to provide an improved measuring system which at least partially overcomes the aforementioned disadvantages.
  • This object is achieved by a measuring system according to claim 1 and by a method according to claim 13. Further aspects of the invention are recited in the subclaims and described in the following description.
  • the object is achieved by a measuring system for determining a torque and a tilt angle of a shaft.
  • the measuring system comprises a first measuring device and a second measuring device. These first and second measuring devices can optionally be stationary (relative to the shaft), i.e., they do not rotate with the shaft.
  • the stationary measuring devices have the advantage that no data needs to be transmitted from rotating parts to stationary parts. The data is thus available with a high bandwidth and without undesired dead times.
  • the first measuring device can be arranged at a first axial position of the shaft.
  • the second measuring device can be arranged at a second axial position of the shaft, wherein the first axial position is different from the second axial position.
  • the second measuring device is arranged at this second axial position of the shaft.
  • the first axial position and the second axial position are spaced apart by a distance aD.
  • the distance aD can, for example, be in a range from 10 mm to 60 mm, or in a range from 20 mm to 50 mm, and in particular in a range from 30 to 35 mm.
  • the first measuring device can be assigned to a first diameter of the shaft.
  • the first measuring device is arranged such that it detects the angular position at this first diameter.
  • the second measuring device can be assigned to a second diameter of the shaft, wherein the first diameter D1 is different from the second diameter D2. is.
  • the second measuring device is arranged such that it detects the angular position at this second diameter.
  • the measuring system comprises at least four detector units, wherein each of the detector units is configured to detect an angular position ⁇ of the shaft.
  • the angular position is determined at different axial and circumferential positions (first embodiment) or at different diameters and circumferential positions (second embodiment).
  • the circumferential positions are specified, for example, as angular coordinates, wherein the shaft can define a cylindrical coordinate system. It is also possible for the diameter of the shaft to differ at the first and second axial positions.
  • the first measuring device comprises at least one of the detector units. This enables the angular position to be detected at the first axial position ⁇ 1 .
  • the second measuring device comprises at least two detector units. This enables the angular position to be detected at the second axial position ⁇ 2 at different circumferential positions (i.e., at different areas or points of the circumference).
  • the tilt angle of the shaft can also be determined.
  • the first measuring device comprises at least one of the detector units. This enables the detection of the angular position ⁇ 1 at the first diameter D1.
  • the first diameter can be an outer diameter or an inner diameter.
  • the second measuring device comprises at least two detector units. This enables the detection of the angular position ⁇ 2 at the second diameter D2 at different circumferential positions (i.e. at different areas or points of the circumference).
  • the tilt angle of the shaft can also be determined.
  • the acting torque T in the linear-elastic deformation range
  • T c ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the desired measurement accuracy of the torque can be determined via the torsional stiffness of the shaft between the first and second axial positions or between the first and second diameters. Since at least three detector units of the measuring system are set up (i.e.
  • a radial displacement in particular a lateral shaft offset (for example caused by an eccentricity of the shaft or a translational displacement) and/or tilting) of the shaft can be determined and taken into account when determining the torque.
  • the tilt angle of the tilting and the lateral shaft offset can be calculated using the angular positions recorded at different circumferential positions, as described in detail below. If, for example, pairs of opposing detector units are used, the mean value of the recorded angular positions eliminates the effect of the radial displacement when determining the torque.
  • the measuring system comprises a plurality of detector units, each configured to detect an angular position ⁇ of the shaft.
  • the first measuring device comprises at least two, or at least three, or at least four detector units
  • the second measuring device comprises at least two, or at least three, or at least four detector units.
  • the first measuring device comprises four detector units, arranged in pairs opposite one another. The first The measuring device can thus detect the angular position at the first axial position (or at the first diameter) at four different circumferential positions.
  • a detector unit can be assigned to each quadrant of the shaft's circumference.
  • the second measuring device can comprise a further four detector units, which can be arranged opposite each other in pairs. The second measuring device can thus detect the angular position at the second axial position (or at the second diameter) at four different circumferential positions.
  • a detector unit can be assigned to each quadrant of the shaft's circumference.
  • the circumferential positions of the detector units of the first and second measuring devices can correspond or be offset.
  • the offset can be 45°.
  • the tilt angle ⁇ of the shaft can be calculated as follows. First, a radial displacement u is determined at the first and second measuring devices. Opposing detector units define an x-axis and a y-axis, respectively (the z-axis is oriented in the direction of the shaft). Thus, the radial displacement in the x-direction (u x ) or y-direction (u y ) can be determined from the angular positions determined by the detector units as follows.
  • ⁇ DE1 ⁇ is the detected angular position of the corresponding detector unit, DE, in the respective quadrant (1, 2, 3, 4) of the first measuring device.
  • ⁇ DE2 ⁇ would accordingly denote the angular position of the corresponding detector unit, DE, in the respective quadrant (1, 2, 3, 4) of the second measuring device.
  • the tilt angle ⁇ is also valid for the second embodiment, provided the lateral shaft offset ⁇ of the shaft is negligible.
  • aB indicates the distance of the bearing, or center of tilt, to the axial position of the measurement.
  • the measuring system can further be configured to determine the lateral shaft offset ⁇ (and/or the shaft rotational speed) based on the detected angular positions.
  • the lateral shaft offset ⁇ is calculated, for example, as follows: It is understood that the tilt angle and the lateral shaft offset can also be determined separately for the x- and y-direction.
  • the detector units of the first measuring device are configured to detect the angular position (i.e.
  • the detector units of the second measuring device can be configured to detect the angular position (i.e. ⁇ DE2,1 , ⁇ DE2,2 , ⁇ DE2,3 and/or ⁇ DE2,4 ) of the shaft at different circumferential positions of the shaft, wherein the circumferential positions can be evenly distributed around the circumference of the shaft.
  • Detecting the angular position at different circumferential positions enables the correction of measurement errors and also the precise determination of the lateral shaft offset and/or the tilt angle of the shaft. If the circumferential positions at which the respective angular positions are detected are evenly distributed around the circumference of the shaft, the torque and tilt angle can be determined particularly easily.
  • the angular position can be detected at specific points or in a specific area. If an area is detected for detecting the angular position, an average value for the angular position can be determined or recorded over this area (e.g., a ring segment).
  • the detector units of the measuring system can comprise at least one optical, inductive, magnetic, and/or capacitive sensor. Different sensors can be used per detector unit and/or per measuring device, for example, to further increase measurement accuracy.
  • the sensors can, for example, be arranged on a common substrate, such as a printed circuit board.
  • the printed circuit board can be flexible at least in sections and can be configured to be placed around the shaft so that the sensors are or are positioned to detect the corresponding angular positions.
  • the sensor can, for example, detect or read out a scale (increment) that rotates with the shaft.
  • the scale can be an optical or magnetic scale, for example.
  • the scale can enable an absolute determination of the angular position.
  • the corresponding detector unit is capable of absolutely detecting the angular position of the shaft.
  • the absolute angular position of the shaft can also be absolutely detected in other ways and the detector unit(s) can in principle be configured to absolutely detect the angular position of the shaft.
  • the scale can be part of the measuring system.
  • the measuring system can have at least two or more scales.
  • at least one scale is assigned to the first measuring device and the second measuring device.
  • the corresponding detector units of the first and/or second measuring device are then configured to detect the at least one scale in order to detect the angular position of the shaft.
  • the scale is arranged or can be arranged such that it rotates with the shaft.
  • the scale can be applied or incorporated directly onto the shaft (at the first and/or second axial position or at the first and/or second diameter), for example by means of laser ablation.
  • the scale can be arranged indirectly on the shaft.
  • the scale can be applied to a sleeve or incorporated into the sleeve (in particular onto a lateral surface and/or end face of the sleeve), and this sleeve can be (or be connected) to the shaft in a rotationally fixed manner at the first or second position (or at the first or second diameter).
  • the scale can be an optical scale, a magnetic scale, a capacitive scale, and/or the like.
  • the measuring system comprises a shaft.
  • the torque and the tilt angle of this shaft are determined by means of the measuring system.
  • the shaft can be connected to another shaft (e.g. via conventional shaft connections, for example a flange), so that the torque and the tilt angle of the other shaft can also be determined.
  • the shaft or the other shaft can be an output or drive shaft and can be assigned to a gearbox and/or a motor.
  • the shaft is a drive shaft of an axis of a manipulator (e.g. of an industrial robot), a drive shaft of a spindle of a processing machine, and/or the like.
  • the shaft is in any case arranged in a region between the first axial position and the second axial position and has a defined, essentially linear torsional stiffness c ⁇ in this region. If the angular positions are detected at a first and a second diameter, the shaft can have a defined, essentially linear torsional stiffness c ⁇ in a region between the first and the second diameter.
  • the torsional stiffness can be greater than 250 kNm/rad, in particular greater than 300 kNm/rad, or greater than 360 kNm/rad.
  • the shaft can have a defined, essentially linear tilting stiffness cT.
  • the tilting stiffness of the shaft is determined by the shaft itself and its bearings.
  • the tilting stiffness can be greater than 1300 kNm/rad, in particular greater than 1400 kNm/rad, or greater than 1500 kNm/rad.
  • the shaft can, for example, transmit a maximum torque of at least 100 Nm, or at least 150 Nm, or at least 200 Nm. In one example, the shaft can permanently transmit a maximum torque of 160 Nm.
  • the torsional stiffness of the shaft in this example is 360 kNm/rad.
  • a maximum twist (torsion) ⁇ of the shaft of 92'' results.
  • the torque can be measured with a measurement accuracy of ⁇ 0.13% (relative to the maximum Torque) can be determined, provided the torsion can be determined with an accuracy of 0.12".
  • the tilt angle can be specified with an accuracy of at least ⁇ 10%, or at least ⁇ 5%, or at least ⁇ 1%.
  • the achievable accuracy depends, among other things, on the stiffness of the shaft bearing used.
  • the lateral shaft misalignment can be determined with an accuracy of at least 10 ⁇ m, or at least 5 ⁇ m, or at least 1 ⁇ m.
  • the torsional stiffness of the shaft should be selected to be as low as possible, while for the most accurate determination of the tilt angle, the tilt stiffness should be as high as possible.
  • the bending stiffness of the shaft is ideally high so that any deflection of the shaft between the first and second axial position is ideally negligible.
  • the shaft preferably has a continuous outer surface (without openings). If the angular positions are recorded at a first and a second diameter, the shaft can comprise corresponding openings or connecting webs in a region between the first and the second diameter.
  • the torsional rigidity and tilting rigidity of the shaft can be defined by the geometric design of the openings and the connecting webs. A large opening width (especially in the circumferential direction) and a large number of openings reduces the torsional rigidity. A large width of the connecting webs in the radial direction increases the bending and tilting rigidity.
  • the shaft can be made of a bronze alloy (e.g., Albromet W130), or of steel, titanium, aluminum, magnesium, or corresponding alloys.
  • the shaft can be manufactured using machining processes (such as turning, Milling, ...) and/or with additive manufacturing processes (such as sintering, casting, 3D printing, ).
  • the measuring system can comprise an evaluation unit. Based on the recorded angular positions, the evaluation unit can determine an acting torque, a tilt angle, a lateral shaft offset and/or a shaft speed.
  • the evaluation unit can be locally integrated into the measuring system or spatially separated from it.
  • the transmission of the recorded measurement data or already processed measurement data to the evaluation unit can be wired and/or wireless.
  • the task is further achieved by a drive system which comprises a shaft and a motor and/or a gearbox.
  • the shaft can be driven by the motor and/or the gearbox, or the shaft can drive the gearbox.
  • the shaft can therefore be a drive shaft or an output shaft.
  • the drive system further comprises a measuring system as described above. This measuring system is in any case configured to determine a torque and a tilt angle of the shaft.
  • the drive system can be part of a manipulator, for example, an industrial robot, a machine tool, and/or the like. By very precisely determining the torque and the tilt angle, the drive system can move the shaft and thus components connected to the shaft very precisely, in particular position, orient, and/or accelerate or decelerate them.
  • the object is achieved by a method for determining a torque and a tilt angle of a shaft, wherein the method comprises the following: ⁇ Detecting at least four angular positions of the shaft at different positions (axial positions and circumferential positions or diameters and circumferential positions), wherein at a first axial position of the shaft, an angular position is detected at at least one circumferential position of the shaft, and wherein at a second axial position of the shaft, which is different from the first axial position, an angular position is detected at at least two circumferential positions, and wherein at least three of the circumferential positions at which the at least four angular positions of the shaft are detected differ; and ⁇ determining the torque and the tilt angle of the shaft based on the detected angular positions.
  • the method can comprise determining a lateral shaft offset and/or a rotational speed of the shaft based on the detected angular positions.
  • the object is achieved by a computer program comprising instructions which, when executed by a processor, cause the processor to carry out the above method for determining a torque and a tilt angle of a shaft.
  • FIG. 1A shows a schematic representation of a measuring system of a first embodiment
  • Fig. 1B is a further schematic representation of the measuring system of the first embodiment
  • Fig. 1C is a schematic representation of a shaft
  • Fig. 2 is a schematic representation of a measuring system
  • Fig. 3 is a schematic representation of a shaft
  • Fig. 4 is a schematic representation of a shaft with detection units
  • Fig. 5 is a schematic sectional representation of a measuring system
  • Fig. 6 is a schematic side view of a shaft
  • Fig. 7 is a schematic representation of another measuring system
  • Fig. 8 is a schematic end view of a shaft
  • Fig. 9 is a schematic flow diagram of a method.
  • Figs. 1A to 1C show a schematic representation of a measuring system 1 and its mode of operation.
  • the measuring system is used to determine a torque T (see Fig. 1A) and a tilt angle ⁇ (see Fig. 2) of a shaft 100.
  • a lateral shaft offset of the shaft 100 and a rotational speed of the shaft can be determined.
  • angular positions at different axial positions and circumferential positions of the shaft 100 are recorded.
  • Separate sensors for torque detection such as strain gauges, or sensors that directly detect tilting of the shaft, such as distance sensors, are not necessary.
  • the measuring system 1 comprises a first measuring device 10 and a second measuring device 20. These measuring devices are arranged in the region of the shaft 100. In the exemplary embodiment shown, the measuring devices 10; 20 do not rotate with the shaft. The recorded data (in particular angular positions) can thus be easily transmitted to an evaluation unit or the like.
  • Fig. 1C shows the shaft 100 schematically.
  • the first measuring device 10 is arranged (or can be arranged) at a first axial position A1, for example, and the second measuring device 20 is arranged (or can be arranged) at a second axial position A2, for example.
  • the measuring system 1 comprises at least four detector units.
  • the measuring system 1 comprises eight detector units 12a, 12b, 14a, 14b; 22a, 22b, 24a, 24b. Each of the detector units is configured to detect an angular position ⁇ of the shaft 100.
  • the first measuring device 10' and the second measuring device 20' may be associated with a first diameter D1 and a second diameter D2, respectively (see also Figs. 7, 8).
  • the first measuring device 10 shown here comprises four detector units 12a, 12b, 14a, 14b. In principle, at least one detector unit would be sufficient here.
  • the four detector units 12a, 12b, 14a, 14b are arranged around the shaft such that they can detect the angular position ⁇ DE1,1, ⁇ DE1,2, ⁇ DE1,3, ⁇ DE1,4 of the shaft 100 at different circumferential positions (R1 to R4, see Fig. 1C) of the shaft 100.
  • the detector unit 12a detects the angular position ⁇ DE1,1,
  • the detector unit 12b detects the angular position ⁇ DE1,3
  • the detector unit 14a detects the angular position ⁇ DE1,2
  • the detector unit 14b detects the angular position ⁇ DE1,4.
  • These angular positions differ not only due to the circumferential position of the individual detector units, but also due to a radial displacement of the shaft.
  • the second measuring device 20 can be constructed analogously to the first measuring device.
  • the second measuring device 20 comprises at least two detector units.
  • the second measuring device 20 in the illustrated embodiment comprises four detector units 22a, 22b, 24a, 24b.
  • the four detector units 22a, 22b, 24a, 24b are arranged around the shaft such that they can detect the angular position ⁇ DE2,1, ⁇ DE2,2, ⁇ DE2,3, ⁇ DE2,4 of the shaft 100 at different circumferential positions.
  • These circumferential positions can correspond to the circumferential positions of the detector units of the first measuring device 10, or they can be offset from them (e.g., 45°), as shown in Fig. 4.
  • the detector unit 22a detects the angular position ⁇ DE2,1, the detector unit 22b detects the angular position ⁇ DE2,3, detector unit 24a detects the angular position ⁇ DE2,2 and the detector unit 24b detects the angular position ⁇ DE2,4.
  • These angular positions also differ not only due to the circumferential position of the individual detector units, but also due to a radial displacement of the shaft.
  • the shaft 100 has a torsional stiffness c ⁇ in a region between the first measuring device 10 (ie the first axial position A1) and the second measuring device 20 (ie the second axial position A2).
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are the recorded (and possibly averaged) angular positions recorded by the first and second measuring devices, respectively. Since the angular positions at the first and second axial positions A1, A2 are recorded at different circumferential positions (see Fig. 1B), the radial displacement u in the x-direction or in the y-direction can also be determined according to the following relationship.
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of a tilted shaft 100.
  • the initial position of the shaft 100 and the associated bearing 200 is shown in dashed lines.
  • the shaft tilted due to transverse forces is shown in solid lines (tilt angle ⁇ ).
  • the tilt angle and the lateral shaft displacement can also be determined separately for the x- and y-direction.
  • the shaft is designed as a hollow shaft and comprises two circumferential mounting flanges 111, 121.
  • a sleeve 112, 122 is screwed to each of these mounting flanges 111, 121, preferably at the end face.
  • the sleeves 112, 122 each comprise a circumferential surface 114, 124.
  • a scale 115, 125 is applied to this circumferential surface.
  • the scale can be an optical scale, produced, for example, by laser ablation.
  • the scale can also be a magnetic scale.
  • the scale can be read by the detector units 12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b (see Fig.
  • the sleeve 112 is arranged here at the first axial position A1 and is assigned to the first measuring device 10 (i.e. in particular the detector units 12a, 12b, 14a, 14b).
  • the sleeve 122 is arranged here at the second axial position A2 and is assigned to the second measuring device 20 (i.e. in particular the detector units 22a, 22b, 24a, 24b).
  • the shaft 100 can, for example, have a diameter in the range from 50 mm to 200 mm, or in the range from 80 mm to 160 mm, or in the range from 100 mm to 120 mm.
  • the sleeves can, for example, have a diameter in the range from 70 mm to 220 mm, or in the range from 100 mm to 180 mm, or in the range from 120 mm to 140 mm. It is also possible to apply the scale(s) directly to the shaft.
  • the first axial position A1 can be spaced from the second axial position A2 by 10 mm to 90 mm, or 30 mm to 70 mm or 35 mm to 45 mm.
  • Fig. 5 shows a schematic sectional view of a measuring system 1, illustrating how the sleeves 112, 122 are attached to the mounting flanges 111, 121 of the shaft 100. It is understood that the screw connection shown is only an example, and other fastening means, in particular common shaft-hub connections, can be used.
  • the shaft 100 is shown again without the sleeves.
  • the shaft 100 has a plurality of openings 130.
  • the shaft comprises 4 to 32 openings, or 8 to 24 openings, or 12 to 16 openings.
  • the openings have, for example, a width w (in the circumferential direction) which is, for example, in the range from 3 mm to 15 mm, or in the range from 5 mm to 12 mm, or in the range from 7 mm to 9 mm.
  • the connecting webs can, for example, have a radial web width h in the range from 2 mm to 15 mm, or in the range from 4 mm to 10 mm, or in the range from 6 mm to 8 mm.
  • the wall thickness of the connecting webs (in the circumferential direction) can, for example, be in the range from 0.8 mm to 5 mm, or in the range from 1 mm to 3 mm.
  • the torsional rigidity and tilting rigidity of the shaft can be defined by the geometric design of the openings 130 and the connecting webs 135. A large opening width w and a high number of openings reduces the torsional rigidity.
  • a large web width h of the connecting webs in the radial direction increases the bending and tilting rigidity.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of another measuring system 2.
  • This measuring system 2 also serves to determine a torque T and a tilt angle ⁇ of a shaft 100'.
  • a lateral shaft offset ⁇ and a rotational speed of the shaft 100' can be determined.
  • angular positions at different diameters D1, D2 and circumferential positions of the shaft 100' are recorded.
  • the measuring system 2 comprises a first measuring device 10' and a second measuring device 20'. These measuring devices 10', 20' are arranged in the area of the shaft 100'.
  • the measuring devices 10', 20' can be arranged such that they do not rotate with the shaft 100'.
  • the recorded data (in particular angular positions) can thus be easily transmitted to an evaluation unit or the like.
  • the first measuring device 10' is assigned to a first diameter D1.
  • the second measuring device 20' is assigned to a second diameter D2, which is different from the first diameter D1.
  • the measuring system 2 comprises at least four detector units.
  • the measuring system 2 comprises eight detector units 12a', 12b', 14a', 14b';22a',22b',24a',24b'.
  • Each of the detector units is configured to detect an angular position ⁇ of the shaft 100'.
  • the first measuring device 10' shown here comprises four detector units 12a', 12b', 14a', 14b', which are arranged opposite one another in pairs at the first diameter D1. In principle, at least one detector unit would be sufficient here.
  • the four detector units 12a', 12b', 14a', 14b' are arranged around the shaft 100' such that they can detect the angular positions ⁇ DE1,1, ⁇ DE1,2, ⁇ DE1,3, ⁇ DE1,4 of the shaft 100' at different circumferential positions (R1 to R4, see Fig. 1C) of the shaft 100'.
  • the detector unit 12a' detects the angular position ⁇ DE1,1, the detector unit 12b' detects the angular position ⁇ DE1,3, the detector unit 14a' detects the angular position ⁇ DE1,2, and the detector unit 14b' detects the angular position ⁇ DE1,4.
  • the second measuring device 20' can be constructed analogously to the first measuring device. However, the second measuring device 20' comprises at least two detector units. As shown in Fig. 7, the second measuring device 20' in the illustrated embodiment comprises four detector units 22a', 22b', 24a', 24b', which are arranged opposite each other in pairs at the second diameter D2. The four detector units 22a', 22b', 24a', 24b' are arranged around the shaft such that they can detect the angular position ⁇ DE2,1, ⁇ DE2,2, ⁇ DE2,3, ⁇ DE2,4 of the shaft 100' at different circumferential positions.
  • These circumferential positions can correspond to the circumferential positions of the detector units of the first measuring device 10, or they can be offset from them (e.g., 45°).
  • the detector unit 22a' detects the angular position ⁇ DE2,1, the detector unit 22b' detects the angular position ⁇ DE2,3, the detector unit 24a' detects the angular position ⁇ DE2,2 and the detector unit 24b' detects the angular position ⁇ DE2,4.
  • These angular positions also differ not only due to the circumferential position of the individual detector units, but also due to a radial displacement of the shaft. As shown in Fig.
  • the shaft 100' has a torsional stiffness c ⁇ in a region between the first diameter D1, to which the first measuring device 10' is assigned, and the second diameter D2, to which the second measuring device 20' is assigned.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 are the recorded (and possibly averaged) angular positions recorded by the first and second measuring devices, respectively.
  • Fig. 8 shows a front view of the shaft 100' of the measuring system 2.
  • the shaft comprises a first scale 115', which is assigned to the first diameter, and a second scale 125', which is assigned to the second diameter.
  • the shaft 100' has a plurality of openings 130'.
  • the shaft comprises 4 to 32 openings, or 8 to 24 openings, or 12 to 16 openings.
  • the openings are each delimited by connecting webs 135'.
  • the geometric design of the openings 130' and the connecting webs 135' can define the torsional rigidity and tilting rigidity of the shaft.
  • a large opening width and a high number of openings reduces the torsional rigidity.
  • a large web width of the connecting webs increases the bending and tilting rigidity.
  • the shaft 100' of the measuring system 2 can, for example, be a hollow shaft or a stepped shaft with different diameters.
  • angular positions can be recorded on an inner and/or outer diameter. It is also possible to detect the angular positions at the front.
  • Fig. 9 shows a schematic flow diagram of a method according to the invention. The method comprises detecting 1100 at least four angular positions of the shaft at different positions (axial positions and circumferential positions or diameters and circumferential positions), wherein at a first axial position of the shaft an angular position is detected at at least one circumferential position of the shaft, and wherein at a second axial position of the shaft, which is different from the first axial position, an angular position is detected at at least two circumferential positions, and wherein at least three the circumferential positions at which the at least four angular positions of the shaft are detected.
  • the shaft If the at least four angular positions of the shaft are detected at a first and a second diameter, an angular position is detected on the first diameter of the shaft at at least one circumferential position of the shaft, and an angular position is detected at at least two circumferential positions on the second diameter, which is different from the diameter. Based on the detected angular positions, the torque T and the tilt angle ⁇ of the shaft can then be determined (1200). In addition, a lateral shaft offset ⁇ and/or a rotational speed n of the shaft can be determined based on the detected angular positions (1300).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messsystem (1) zur Bestimmung eines Drehmoments T und eines Kippwinkels y einer Welle. Das Messsystem (1) umfasst eine erste feststehende Messvorrichtung (10) und eine zweite feststehende Messvorrichtung (20), wobei die erste Messvorrichtung (10) an einer ersten axialen Position Al der Welle anordenbar ist, und wobei die zweite Messvorrichtung (20) an einer zweiten axialen Position A2 der Welle (100) anordenbar ist. Das Messsystem umfasst zumindest vier Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b; 22a, 22b, 24a, 24b), wobei jede der Detektoreinheiten zur Erfassung einer Winkellage φ der Welle (100) eingerichtet ist. Die erste Messvorrichtung (10) umfasst zumindest eine Detektoreinheit (12a, 12b, 14a, 14b) und die zweite Messvorrichtung (20) zumindest zwei Detektoreinheiten (22a, 22b, 24a, 24b). Zumindest drei Detektoreinheiten des Messsystems sind dazu eingerichtet, jeweils die Winkellage φDE1,i, φDE2,i der Welle an unterschiedlichen Umfangspositionen RI, R2, R3, R4 der Welle zu erfassen.

Description

MESSSYSTEM UND VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG EINES DREHMOMENTS UND EINES KIPPWINKELS Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments und eines Kippwinkels einer Welle. Hintergrund Kommerzielle Messgeräte zur Bestimmung des Drehmoments verwenden i.d.R. Dehnmessstreifen zur Bestimmung der hervorgerufenen Verformung eines rotierenden Messkörpers (z.B. einer Messwelle). Werden Dehnmessstreifen zur Bestimmung des Drehmoments an dem rotierenden Messkörper verwendet, so muss der Messkörper mit Spannung versorgt werden. Zudem müssen die Sensordaten vom rotierenden Messkörper an einen feststehenden Teil übertragen werden. Dadurch ergeben sich u.a. Totzeiten, die zu einer Verfälschung der oft hochdynamischen Messungen führen können. Gängige Drehmomentsensoren, bei denen der Messkörper rotiert, weisen zudem häufig eine stark eingeschränkte Belastbarkeit in Querrichtung auf, sodass der Einbau einer zusätzlichen Kupplung angezeigt ist. Zudem müssen Querkräfte und Kippmomente über eine entsprechende Lagerung abgestützt werden. Häufig ist das Ziel einer Drehmomentmessung die Bestimmung der in einem Antriebsstrang übertragenen Leistung (z.B. zur Wirkungsgradmessung). Hierzu wird neben dem Drehmoment auch eine Drehzahlinformation benötigt. Bekannte Messgeräte verwenden hierzu über den Umfang verteilte Impulssignale, über deren zeitlichen Abstand die Drehgeschwindigkeit bzw. Drehzahl bestimmt werden kann. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen können Schwankungen in der Drehzahl mit diesen herkömmlichen Messgeräten nur schlecht erkannt werden. Zudem ist es für die Bestimmung eines Kippwinkels einer Welle oftmals notwendig weitere Sensoren, insbesondere Abstandssensoren, vorzusehen. Diese zusätzlichen Sensoren vergrößern den Bauraum und führen zu höheren Kosten. Beschreibung der Erfindung Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Messsystem bereitzustellen, welches die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise überwindet. Diese Aufgabe wird durch ein Messsystem nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere Aspekte der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt sowie in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben. Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Messsystem zur Bestimmung eines Drehmoments und eines Kippwinkels einer Welle gelöst. Das Messsystem umfasst eine erste Messvorrichtung und eine zweite Messvorrichtung. Diese erste und zweite Messvorrichtung können optional (bezogen auf die Welle) feststehend sein, also nicht mit der Welle mitrotiert werden. Die feststehenden Messvorrichtungen haben den Vorteil, dass keine Daten von rotierenden Teilen an feststehende Teile übertragen werden müssen. Die Daten stehen damit mit einer hohen Bandbreite und ohne unerwünschte Totzeiten zur Verfügung. In einer ersten Ausführungsform des Messsystems ist die erste Messvorrichtung an einer ersten axialen Position der Welle anordenbar. Wenn die Messvorrichtung in Betrieb ist, ist die erste Messvorrichtung an dieser ersten axialen Position der Welle angeordnet. Die zweite Messvorrichtung ist an einer zweiten axialen Position der Welle anordenbar, wobei die erste axiale Position von der zweiten axialen Position verschieden ist. Wenn die Messvorrichtung in Betrieb ist, ist die zweite Messvorrichtung an dieser zweiten axialen Position der Welle angeordnet. Beispielsweise sind die erste axiale Position und die zweite axiale Position in einen Abstand aD voneinander beabstandet. Der Abstand aD kann beispielsweise in einem Bereich von 10 mm bis 60 mm, oder in einem Bereich von 20mm bis 50 mm und insbesondere in einem Bereich von 30 bis 35 mm liegen. In einer zweiten Ausführungsform des Messsystems ist die erste Messvorrichtung einem ersten Durchmesser der Welle zuordenbar. Wenn die erste Messvorrichtung in Betrieb ist, ist die erste Messvorrichtung so angeordnet, dass sie die Winkellage an diesem ersten Durchmesser erfasst. Die zweite Messvorrichtung ist in dieser zweiten Ausführungsform einem zweiten Durchmesser der Welle zuordenbar, wobei der erste Durchmesser D1 von dem zweiten Durchmesser D2 verschieden ist. Wenn die zweite Messvorrichtung in Betrieb ist, ist die zweite Messvorrichtung so angeordnet, dass sie die Winkellage an diesem zweiten Durchmesser erfasst. Das Messsystem umfasst zumindest vier Detektoreinheiten, wobei jeder der Detektoreinheiten zur Erfassung einer Winkellage φ der Welle eingerichtet ist. Damit kann die Winkellage an unterschiedlichen axialen und Umfangspositionen (erste Ausführungsform) bzw. an unterschiedlichen Durchmessern und Umfangspositionen (zweite Ausführungsform) bestimmt werden. Die Umfangspositionen werden beispielsweise als Winkelkoordinaten angegeben, wobei die Welle ein Zylinderkoordinatensystem definieren kann. Ebenso ist es möglich, dass sich der Durchmesser der Welle an der ersten und zweiten axialen Position unterscheidet. Gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die erste Messvorrichtung zumindest eine der Detektoreinheiten. Dies ermöglicht die Erfassung der Winkellage an der ersten axialen Position φ1. Die zweite Messvorrichtung umfasst zumindest zwei Detektoreinheiten. Dies ermöglicht die Erfassung der Winkellage an der zweiten axialen Position φ2 an unterschiedlichen Umfangspositionen (d.h. an unterschiedlichen Bereichen oder Punkten des Umfangs). Da die Winkellage an unterschiedlichen axialen Positionen erfasst wird, kann basierend auf einer Relativverdrehung Δφ (Δφ = φ2 - φ1) das wirkende Drehmoment T bestimmt werden. Ebenso kann der Kippwinkel der Welle bestimmt werden. Gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst die erste Messvorrichtung zumindest eine der Detektoreinheiten. Dies ermöglicht die Erfassung der Winkellage φ1 an dem ersten Durchmesser D1. Der erste Durchmesser kann ein Außen-Durchmesser oder ein Innen-Durchmesser sein. Die zweite Messvorrichtung umfasst zumindest zwei Detektoreinheiten. Dies ermöglicht die Erfassung der Winkellage φ2 an dem zweiten Durchmesser D2 an unterschiedlichen Umfangspositionen (d.h. an unterschiedlichen Bereichen oder Punkten des Umfangs). Da die Winkellage an unterschiedlichen Durchmessern erfasst wird, kann basierend auf einer Relativverdrehung Δφ (Δφ = φ2 - φ1) das wirkende Drehmoment T bestimmt werden. Ebenso kann der Kippwinkel der Welle bestimmt werden. Beispielsweise kann (für beide Ausführungsformen) über die Torsionssteifigkeit der Welle cφ das wirkende Drehmoment T (im linear-elastischen Verformungsbereich) nach dem folgenden Zusammenhang bestimmt werden: T = cφ ▪ Δφ. Über die Torsionssteifigkeit der Welle zwischen der ersten und der zweiten axialen Position bzw. zwischen dem ersten und zweiten Durchmesser kann die gewünschte Messgenauigkeit des Drehmoments bestimmt werden. Da zumindest drei Detektoreinheiten des Messsystems dazu eingerichtet (d.h. entsprechend positioniert) sind, die Winkellage der Welle an unterschiedlichen Umfangspositionen der Welle zu erfassen, können zudem Messfehler durch eine radiale Verlagerung (insbesondere ein lateraler Wellenversatz (beispielsweise hervorgerufen durch eine Exzentrizität der Welle oder eine translatorische Verschiebung), und/oder eine Verkippung) der Welle bestimmt und bei der Bestimmung des Drehmoments berücksichtigt werden. Der Kippwinkel der Verkippung sowie der laterale Wellenversatz können über die an verschiedenen Umfangspositionen erfassten Winkellagen berechnet werden, wie nachfolgend noch ausführlich beschrieben ist. Werden beispielsweise paarweise gegenüberliegende Detektoreinheiten genutzt, eliminiert der Mittelwert der erfassten Winkellagen beispielsweise den Effekt der radialen Verlagerung bei der Drehmomentbestimmung. Denn der Anteil der radialen Verlagerung (insbesondere des lateralen Wellenversatzes) der erfassten Winkellage wird in diesem Fall einmal positiv und einmal negativ erfasst. Somit kann das Drehmoment und der Kippwinkel durch die Messung der Winkellagen an unterschiedlichen axialen und Umfangspositionen sehr genau bestimmt werden. Der Einsatz weiterer Sensoren, wie Abstandssensoren oder Dehnmessstreifen, ist nicht erforderlich. In einem Aspekt umfasst das Messsystem eine Vielzahl von Detektoreinheiten, die jeweils zur Erfassung einer Winkellage φ der Welle eingerichtet sind. Gemäß diesem Aspekt umfasst die erste Messvorrichtung zumindest zwei, oder zumindest drei, oder zumindest vier Detektoreinheiten und die zweite Messvorrichtung zumindest zwei, oder zumindest drei, oder zumindest vier Detektoreinheiten. Zumindest vier Detektoreinheiten sind dazu eingerichtet, jeweils die Winkellage der Welle an unterschiedlichen Umfangspositionen der Welle zu erfassen. Somit können das Drehmoment und der Kippwinkel sehr genau bestimmt werden. In einem besonderen Aspekt umfasst die erste Messvorrichtung vier Detektoreinheiten, die paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Die erste Messvorrichtung kann somit die Winkellage an der ersten axialen Position (bzw. am ersten Durchmesser) an vier unterschiedlichen Umfangspositionen erfassen. Insbesondere kann jedem Quadranten des Umfangs der Welle eine Detektoreinheit zugeordnet sein. Zudem kann die zweite Messvorrichtung weitere vier Detektoreinheiten umfassen, die paarweise gegenüberliegend angeordnet sein können. Die zweite Messvorrichtung kann somit die Winkellage an der zweiten axialen Position (bzw. am zweiten Durchmesser) an vier unterschiedlichen Umfangspositionen erfassen. Insbesondere kann jedem Quadranten des Umfangs der Welle eine Detektoreinheit zugeordnet sein. Die Umfangspositionen der Detektoreinheiten der ersten und zweiten Messvorrichtung können sich entsprechen, oder versetzt sein. Beispielsweise kann der Versatz 45° betragen. Gemäß diesem besonderen Aspekt, kann der Kippwinkel γ der Welle wie folgt berechnet werden. Zunächst wird eine radiale Verlagerung u an der ersten und der zweiten Messvorrichtung bestimmt. Sich gegenüberliegende Detektoreinheiten definieren eine x-Achse bzw. eine y-Achse (die z-Achse ist in Richtung der Welle orientiert). Somit lässt sich aus den mittels der Detektoreinheiten ermittelten Winkellagen die radiale Verlagerung in x-Richtung (ux) bzw. y-Richtung (uy) wie folgt ermitteln.
Figure imgf000007_0001
^^ Wobei ^^DE1,^^ die erfasste Winkellage der entsprechenden Detektoreinheit, DE, im jeweiligen Quadranten (1, 2, 3, 4) der ersten Messvorrichtung ist. Für die zweite Messvorrichtung gilt dieser Zusammenhang entsprechend. ^^DE2,^^ würde entsprechend die Winkellage der entsprechenden Detektoreinheit, DE, im jeweiligen Quadranten (1, 2, 3, 4) der zweiten Messvorrichtung bezeichnen. φ bezeichnet die tatsächliche Winkellage der Welle und dD ist der Durchmesser der Welle (bzw. einer entsprechenden Hülse) auf welcher die Winkellage an der entsprechenden Umfangsposition erfasst wurde. Es versteht sich, dass der obigen Gleichung die Annahme zugrunde liegt, dass eine Durchbiegung der Welle (bzw. einer Hülse (sin(φ) = φ)) vernachlässigbar ist. Für die radiale Verlagerung in x-Richtung (ux) bzw. y-Richtung (uy) ergibt sich somit für die erste Messvorrichtung der folgende Zusammenhang:
Figure imgf000008_0001
Für die zweite Messvorrichtung gilt dieser Zusammenhang entsprechend. ^^DE2,^^ würde entsprechend die Winkellage der entsprechenden Detektoreinheit, DE, im jeweiligen Quadranten (1, 2, 3, 4) der zweiten Messvorrichtung bezeichnen. ^^^^2, bzw. ^^^^2 bezeichnen die radiale Verlagerung . Die tatsächliche radiale Verlagerung u1 und u2 der Welle an der ersten und der zweiten axialen Position bestimmt sich mithin zu
Figure imgf000008_0002
Für die erste Ausführungsform kann der Kippwinkel γ sodann wie folgt bestimmt werden: ^^ = arcsin ^^2 − ^^1 ^^ ≈ 2 − ^^1 ^^D ^^D Wobei aD den Abstand von der ersten zur zweiten axialen Position angibt. Sofern der laterale Wellenversatz δ der Welle in der Lagerung vernachlässigbar ist, kann der Kippwinkel γ auch wie folgt berechnet werden: ^^ = arcsin ^^1 ^^ ≈ 1 ^^B ^^B Wobei aB den Abstand des Lagers, bzw. Zentrum der Verkippung, zur ersten axialen Position angibt. Diese Berechnung des Kippwinkels γ ist auch für die zweite Ausführungsform gültig, vorausgesetzt, der laterale Wellenversatz δ der Welle ist vernachlässigbar. aB gibt in dieser zweiten Ausführungsform den Abstand des Lagers, bzw. Zentrum der Verkippung, zur axialen Position der Messung an. Das Messsystem kann weiterhin zur Bestimmung des lateralen Wellenversatzes δ (und/oder der Drehzahl der Welle) basierend auf den erfassten Winkellagen eingerichtet sein. Der laterale Wellenversatzes δ berechnet sich für die erste Ausführungsform beispielsweise wie folgt:
Figure imgf000009_0001
Es versteht sich, dass der Kippwinkel und der laterale Wellenversatz auch getrennt für die x- und y-Richtung bestimmt werden können. In einem Aspekt sind die Detektoreinheiten der ersten Messvorrichtung dazu eingerichtet die Winkellage (d.h. φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3 und/oder φDE1,4) der Welle an unterschiedlichen Umfangspositionen der Welle zu erfassen, wobei die Umfangspositionen gleichmäßig um den Umfang der Welle verteilt sein können. Die gleichmäßige Verteilung ist optional, sofern die Winkellage an unterschiedlichen Umfangspositionen erfasst wird. Entsprechend können die Detektoreinheiten der zweiten Messvorrichtung dazu eingerichtet sein die Winkellage (d.h. φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3 und/oder φDE2,4) der Welle an unterschiedlichen Umfangspositionen der Welle zu erfassen, wobei die Umfangspositionen gleichmäßig um den Umfang der Welle verteilt sein können. Die Erfassung der Winkellage an unterschiedlichen Umfangspositionen ermöglicht die Korrektur von Messfehlern und zudem eine genaue Bestimmung des lateralen Wellenversatzes und/oder des Kippwinkels der Welle. Sind die Umfangspositionen, an denen die jeweiligen Winkellagen erfasst werden gleichmäßig um den Umfang der Welle verteilt, kann das Drehmoment und der Kippwinkel besonders einfach bestimmt werden. Die Erfassung der Winkellage kann punktuell oder in einem Bereich erfolgen. Sofern ein Bereich zur Erfassung der Winkellage erfasst wird, kann über diesen Bereich (beispielsweise ein Ringsegment) ein gemittelter Wert für die Winkellage ermittelt bzw. erfasst werden. Die Detektoreinheiten des Messsystems können zumindest einen optischen, induktiven, magnetischen und/oder kapazitiven Sensor umfassen. Es können pro Detektoreinheit und/oder pro Messvorrichtung unterschiedliche Sensoren genutzt werden, um beispielsweise die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen. Die Sensoren (d.h. zumindest zwei Sensoren, oder die Sensoren einer Messvorrichtung) können beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat, wie einer Leiterplatte angeordnet sein. Die Leiterplatte kann zumindest Abschnittsweise flexibel sein und dazu eingerichtet sein um die Welle gelegt zu werden, sodass die Sensoren zur Erfassung der entsprechenden Winkellagen positioniert werden bzw. sind. Der Sensor kann beispielsweise eine Skalierung (Inkrement) erfassen bzw. auslesen, welche mit der Welle mitrotiert. Je nach verwendeter Sensorart, kann die Skalierung beispielsweise eine optische oder magnetische Skalierung sein. In einem Aspekt kann die Skalierung eine absolute Bestimmung der Winkellage ermöglichen. In diesem Aspekt ist die entsprechende Detektoreinheit in der Lage die Winkellage der Welle absolut zu erfassen. Es versteht sich, dass die absolute Winkellage der Welle auch in anderer Weise absolut erfasst werden kann und die Detektoreinheit(en) grundsätzlich dazu eingerichtet sein können die Winkellage der Welle absolut zu erfassen. Die Skalierung kann Teil des Messsystems sein. Das Messsystem kann zumindest zwei oder mehrere Skalierungen aufweisen. In einem Aspekt ist der ersten Messvorrichtung und der zweiten Messvorrichtung zumindest eine Skalierung zugeordnet. Die entsprechenden Detektoreinheiten der ersten und/oder zweiten Messvorrichtung sind dann dazu eingerichtet, die zumindest eine Skalierung zu erfassen, um die Winkellage der Welle zu erfassen. Die Skalierung ist dabei so angeordnet bzw. anordenbar, dass sie mit der Welle mitrotiert wird. Beispielsweise kann die Skalierung direkt auf die Welle (an der ersten und/oder zweiten axialen Position bzw. am ersten und/oder zweiten Durchmesser) auf- oder eingebracht sein. Beispielsweise mittels einer Laserablation. Ebenso ist es möglich, dass die Skalierung mittelbar auf der Welle angeordnet wird. Beispielsweise kann die Skalierung auf einer Hülse aufgebracht, oder in die Hülse eingebracht werden (insbesondere auf eine Mantelfläche und/oder Stirnfläche der Hülse) und diese Hülse kann an der ersten oder zweiten Position (bzw. am ersten oder zweiten Durchmesser) mit der Welle verdrehfest verbunden werden (bzw. verbunden sein). Die Skalierung kann eine optische Skalierung, eine magnetische Skalierung, eine kapazitive Skalierung und/oder dergleichen sein. Die Skalierung kann eine hochpräzise Teilung aufweisen, sodass die Winkellage (entsprechende Detektoreinheit(en) bzw. Auswerteinheit(en) vorausgesetzt) beispielsweise mit einer Genauigkeit von zumindest ± 10‘‘, oder zumindest ± 5‘‘, oder zumindest ± 3‘‘, oder zumindest ± 1‘‘, oder zumindest ± 0,5‘‘ oder sogar zumindest ± 0,2‘‘ erfasst werden kann (‘‘=Winkelsekunden). In einem Aspekt umfasst das Messsystem eine Welle. Das Drehmoment und der Kippwinkel dieser Welle werden mittels des Messsystems bestimmt. Die Welle kann in diesem Fall mit einer weiteren Welle verbunden werden (z.B. über übliche Welle-Verbindungen, beispielsweise einen Flansch), sodass auch das Drehmoment und der Kippwinkel der weiteren Welle bestimmt werden können. Die Welle oder die weitere Welle kann eine Abtriebs- oder Antriebswelle sein und einem Getriebe und/oder einem Motor zugeordnet sein. In einem Aspekt ist die Welle eine Antriebswelle einer Achse eines Manipulators (z.B. eines Industrieroboters), eine Antriebswelle einer Spindel einer Bearbeitungsmaschine, und/oder dergleichen. Die Welle ist jedenfalls in einem Bereich zwischen der ersten axialen Position und der zweiten axialen Position angeordnet und weist in diesem Bereich eine definierte, im Wesentlichen lineare Torsionssteifigkeit cφ auf. Werden die Winkellagen an einem ersten und einem zweiten Durchmesser erfasst, kann die Welle in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Durchmesser eine definierte, im Wesentlichen lineare Torsionssteifigkeit cφ aufweisen. Die Torsionssteifigkeit kann größer als 250 kNm/rad, insbesondere größer als 300 kNm/rad, oder größer als 360 kNm/rad sein. Zudem kann die Welle eine definierte, im Wesentlichen lineare Kippsteifigkeit cT aufweisen. Die Kippsteifigkeit der Welle wird durch die Welle selbst und deren Lagerung bestimmt. Die Kippsteifigkeit kann größer als 1300 kNm/rad, insbesondere größer als 1400 kNm/rad, oder größer als 1500 kNm/rad sein. Je nach Anwendung kann die Welle beispielsweise ein maximales Drehmoment von zumindest 100 Nm, oder zumindest 150 Nm, oder zumindest 200 Nm übertragen können. In einem Beispiel kann die Welle ein maximales Drehmoment von 160 Nm dauerhaft übertragen. Die Torsionssteifigkeit der Welle beträgt in diesem Beispiel 360 kNm/rad. Somit ergibt sich beim Übertragen des maximalen Drehmoments eine maximale Verdrehung (Torsion) Δφ der Welle von 92‘‘. Somit kann das Drehmoment mit einer Messgenauigkeit von ±0.13 % (bezogen auf das maximale Drehmoment) ermittelt werden, sofern die Torsion mit einer Genauigkeit von 0.12“ bestimmt werden kann. Der Kippwinkel kann mit einer Genauigkeit von zumindest ±10 %, oder zumindest ±5 %, oder zumindest ±1 % angegeben werden. Die erzielbare Genauigkeit hängt u.a. von der Steifigkeit der verwendeten Lagerung der Welle ab. Der laterale Wellenversatz kann mit einer Genauigkeit von zumindest 10 µm, oder zumindest 5 µm oder zumindest 1µm bestimmt werden. Es zeigt sich, dass für eine möglichst genaue Bestimmung des Drehmoments die Torsionssteifigkeit der Welle möglichst gering gewählt werden sollte, während für eine möglichst genaue Ermittlung des Kippwinkels die Kippsteifigkeit möglichst hoch sein sollte. Die Biegesteifigkeit der Welle ist idealerweise so hoch, dass eine Durchbiegung der Welle zwischen der ersten und zweiten axialen Position idealerweise vernachlässigbar ist. Diese zunächst widersprüchlichen Kennwerte (Torsionssteifigkeit, Kippsteifigkeit und Biegesteifigkeit) können mit einer Welle erreicht werden, die beispielsweise eine Hohlwelle ist, die eine Vielzahl von radialen Durchbrüchen umfasst. Die Durchbrüche sind dabei vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten axialen Position angeordnet. Zwischen den Durchbrüchen sind Verbindungsstege vorgesehen, die einen ersten Wellenteil und einen zweiten Wellenteil miteinander verbinden. An der ersten und/oder zweiten axialen Position weist die Welle vorzugsweise eine durchgehende Mantelfläche (ohne Durchbrüche) auf. Werden die Winkellagen an einem ersten und einem zweiten Durchmesser erfasst, kann die Welle in einem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Durchmesser entsprechende Durchbrüche bzw. Verbindungsstege umfassen. Durch die geometrische Gestaltung der Durchbrüche und der Verbindungsstege kann die Torsionssteifigkeit und die Kippsteifigkeit der Welle definiert werden. Eine große Durchbruchweite (insbesondere Umfangsrichtung) und eine hohe Vielzahl an Durchbrüchen senkt die Torsionssteifigkeit. Eine große Breite der Verbindungsstege in radialer Richtung erhöht die Biege- und Kippsteifigkeit. Beispielsweise kann die Welle aus einer Bronzelegierung (z.B. Albromet W130), oder aus Stahl, Titan, Aluminium, Magnesium, oder entsprechenden Legierungen gefertigt sein. Die Welle kann mit spanenden Fertigungsverfahren (wie Drehen, Fräsen, …) hergestellt werden, und/oder mit additiven Fertigungsverfahren (wie Sintern, Guss, 3D-Druck, ...). Weiterhin kann das Messsystem eine Auswerteinheit umfassen. Die Auswerteinheit kann basierend auf den erfassten Winkellagen ein wirkendes Drehmoment, einen Kippwinkel, einen lateralen Wellenversatz und/oder eine Drehzahl der Welle bestimmen. Die Auswerteinheit kann in das Messsystem lokal integriert sein, oder von diesem räumlich getrennt sein. Die Übertragung der erfassten Messdaten oder bereits bearbeiteter Messdaten an die Auswerteinheit kann kabelgebunden und/oder drahtlos erfolgen. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Antriebssystem gelöst, welches eine Welle und einen Motor und/oder ein Getriebe umfasst. Die Welle kann dabei mittels des Motors und/oder des Getriebes antreibbar sein, oder die Welle kann das Getriebe antreiben. Die Welle kann also eine Antriebswelle oder eine Abtriebswelle sein. Das Antriebssystem umfasst weiterhin ein Messsystem, wie es voranstehend beschrieben wurde. Dieses Messsystem ist jedenfalls dazu eingerichtet ein Drehmoment und einen Kippwinkel der Welle zu bestimmen. Das Antriebssystem kann Teil eines Manipulators, beispielsweise eines Industrieroboters, einer Werkzeugmaschine, und/oder der gleichen sein. Durch die sehr exakte Bestimmung des Drehmoments und des Kippwinkels kann das Antriebssystem die Welle und somit mit der Welle verbundene Komponenten sehr exakt bewegen, insbesondere positionieren, orientieren und/oder beschleunigen bzw. abbremsen. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments und eines Kippwinkels einer Welle gelöst, wobei das Verfahren folgendes umfasst: ^ Erfassen von zumindest vier Winkellagen der Welle, an unterschiedlichen Positionen (axiale Positionen und Umfangspositionen oder Durchmessern und Umfangspositionen), wobei an einer ersten axialen Position der Welle an zumindest einer Umfangsposition der Welle eine Winkellage erfasst wird, und wobei an einer zweiten axialen Position der Welle, welche von der ersten axialen Position verschieden ist, an zumindest zwei Umfangspositionen eine Winkellage erfasst wird, und wobei sich zumindest drei der Umfangspositionen, an denen die zumindest vier Winkellagen der Welle erfasst werden unterscheiden; und ^ Bestimmen des Drehmoments und des Kippwinkels der Welle, basierend auf den erfassten Winkellagen. Werden die zumindest vier Winkellagen der Welle an einem ersten und einem zweiten Durchmesser erfasst, wird auf dem ersten Durchmesser der Welle an zumindest einer Umfangsposition der Welle eine Winkellage erfasst, und auf dem zweiten Durchmesser, welcher von dem ersten Durchmesser verschieden ist, wird an zumindest zwei Umfangspositionen eine Winkellage erfasst. Das Erfassen erfolgt insbesondere mittels des oben beschriebenen Messsystems. Weiterhin kann das Verfahren das Bestimmen eines lateralen Wellenversatzes und/oder einer Drehzahl der Welle basierend auf den erfassten Winkellagen umfassen. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Computerprogramm gelöst, welches Anweisungen umfasst, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor dazu veranlassen das obige Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments und eines Kippwinkels einer Welle auszuführen. Kurze Beschreibung der Figuren In den beigefügten Figuren sind spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese dienen dem Verständnis der Erfindung. Insbesondere zeigt Fig. 1A eine schematische Darstellung eines Messsystems einer ersten Ausführungsform; Fig. 1B eine weitere schematische Darstellung des Messsystems der ersten Ausführungsform; Fig. 1C eine schematische Darstellung einer Welle; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Messsystems; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Welle; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Welle mit Detektionseinheiten; Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Messsystems; Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer Welle; Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Messsystems; Fig. 8 eine schematische Stirnseitenansicht einer Welle, und Fig. 9 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens. Detaillierte Beschreibung der Figuren Die Fig. 1A bis 1C zeigen eine schematische Darstellung eines Messsystems 1 sowie dessen Funktionsweise. Das Messsystem dient zur Bestimmung eines Drehmoments T (s. Fig. 1A) und eines Kippwinkels γ (s. Fig. 2) einer Welle 100. Zudem können ein lateraler Wellenversatz der Welle 100 sowie eine Drehzahl der Welle bestimmt werden. Hierzu werden Winkellagen an unterschiedlichen axialen Positionen und Umfangspositionen der Welle 100 erfasst. Gesonderte Sensoren zur Drehmomenterfassung, wie beispielsweise Dehnmessstreifen, oder Sensoren, die eine Verkippung der Welle unmittelbar erfassen, wie Abstandssensoren, sind nicht notwendig. Das Messsystem 1 umfasst eine erste Messvorrichtung 10 und eine zweite Messvorrichtung 20. Diese Messvorrichtungen sind im Bereich der Welle 100 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel rotieren die Messvorrichtungen 10; 20 nicht mit der Welle mit. Die erfassten Daten (insbesondere Winkellagen) können somit einfach an eine Auswerteinheit oder dergleichen übertragen werden. Fig. 1C zeigt die Welle 100 schematisch. An einer ersten axialen Position A1 ist beispielsweise die erste Messvorrichtung 10 angeordnet (bzw. anordenbar) und an einer zweiten axialen Position A2 ist beispielsweise die zweite Messvorrichtung 20 angeordnet (bzw. anordenbar). Das Messsystem 1 umfasst zumindest vier Detektoreinheiten. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Messsystem 1 acht Detektoreinheiten 12a, 12b, 14a, 14b; 22a, 22b, 24a, 24b. Jede der Detektoreinheiten ist zur Erfassung einer Winkellage φ der Welle 100 eingerichtet. Alternativ können die erste Messvorrichtung 10‘ und die zweite Messvorrichtung 20‘ einem ersten Durchmesser D1 bzw. einem zweiten Durchmesser D2 zugeordnet sein (s. auch Fig. 7, 8). Wie in Fig. 1B gezeigt ist, umfasst die hier gezeigte erste Messvorrichtung 10 vier Detektoreinheiten 12a, 12b, 14a, 14b. Grundsätzlich wäre hier zumindest eine Detektoreinheit ausreichend. Die vier Detektoreinheiten 12a, 12b, 14a, 14b sind so um die Welle herum angeordnet, dass sie die Winkellage φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4 der Welle 100 an unterschiedlichen Umfangspositionen (R1 bis R4, s. Fig. 1C) der Welle 100 erfassen können. Die Detektoreinheit 12a erfasst die Winkellage φDE1,1, die Detektoreinheit 12b erfasst die Winkellage φDE1,3, Detektoreinheit 14a erfasst die Winkellage φDE1,2 und die Detektoreinheit 14b erfasst die Winkellage φDE1,4. Diese Winkellagen unterscheiden sich nicht nur aufgrund der Umfangsposition der einzelnen Detektoreinheiten, sondern auch aufgrund einer radialen Verlagerung der Welle. Die zweite Messvorrichtung 20 kann analog zu der ersten Messvorrichtung aufgebaut sein. Die zweite Messvorrichtung 20 umfasst jedoch zumindest zwei Detektoreinheiten. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfasst die zweite Messvorrichtung 20 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vier Detektoreinheiten 22a, 22b, 24a, 24b. Die vier Detektoreinheiten 22a, 22b, 24a, 24b sind so um die Welle herum angeordnet, dass sie die Winkellage φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4 der Welle 100 an unterschiedlichen Umfangspositionen erfassen können. Diese Umfangspositionen können den Umfangspositionen der Detektoreinheiten der ersten Messvorrichtung 10 entsprechen, oder sie können versetzt zu diesen sein (beispielsweise 45°), wie in Fig. 4 gezeigt. Die Detektoreinheit 22a erfasst die Winkellage φDE2,1, die Detektoreinheit 22b erfasst die Winkellage φDE2,3, Detektoreinheit 24a erfasst die Winkellage φDE2,2 und die Detektoreinheit 24b erfasst die Winkellage φDE2,4. Auch diese Winkellagen unterscheiden sich nicht nur aufgrund der Umfangsposition der einzelnen Detektoreinheiten, sondern auch aufgrund einer radialen Verlagerung der Welle. Wie in Fig.1A gezeigt ist, weist die Welle 100 in einem Bereich zwischen der ersten Messvorrichtung 10 (d.h. der ersten axialen Position A1) und der zweiten Messvorrichtung 20 (d.h. der zweiten axialen Position A2) eine Torsionssteifigkeit cφ auf. Das wirkende Drehmoment T ergibt sich somit (im linear-elastischen Verformungsbereich) zu T = cφ ▪ (φ2 - φ1). φ1 bzw.φ2 sind die erfassten (und ggf. gemittelten) Winkellagen, die von der ersten bzw. zweiten Messvorrichtung erfasst wurden. Da die Winkellagen an der ersten und zweiten axialen Position A1, A2 an unterschiedlichen Umfangspositionen erfasst werden (s. Fig. 1B), lässt sich auch die radiale Verlagerung u in x-Richtung bzw. in y-Richtung nach dem folgenden Zusammenhang ermitteln.
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^^ 2 DE1,^^ = ^^ ± ^^y ^^ , ^^ ∈ {2,4} ^^ φ bezeichnet die tatsächliche Winkellage der Welle und dD ist der Durchmesser der Welle (bzw. einer entsprechenden Hülse) auf welcher die Winkellage an der entsprechenden Umfangsposition erfasst wurde. In Fig. 2 ist schematisch eine verkippte Welle 100 dargestellt. Die Ausgangslage der Welle 100 und des zugehörigen Lagers 200 ist in gestrichelten Linien dargestellt. Die aufgrund von Querkräften verkippte Welle ist in durchgehenden Linien dargestellt (Kippwinkel γ). Aufgrund der zweidimensionalen Darstellung ist nur der Kippwinkel γx (Verkippung um die x-Achse) bzw. der laterale Wellenversatz δy in y-Richtung dargestellt. Die tatsächliche radiale Verlagerung u1 und u2 der Welle an der ersten und der zweiten axialen Position bestimmt sich mithin zu
Figure imgf000017_0002
Der Kippwinkel γ kann sodann wie folgt bestimmt werden: ^^ = arcsin ^^2 − ^^1 ^^ ≈ 2 − ^^1 ^^D ^^D Der laterale Wellenversatzes δ berechnet sich wie folgt: ^^ = ^^1 − ^^^^ sin(^^) ≈ ^^1 − ^^^^^^ Der Kippwinkel und der laterale Wellenversatz können auch getrennt für die x- und y-Richtung bestimmt werden. Aus den erfassten Winkellagen kann mithin das wirkende Drehmoment, der Kippwinkel, der laterale Wellenversatz (insbesondere eine Exzentrizität) und (aus einer zeitlichen Abfolge von Winkellagen) die Drehzahl der Welle ermittelt werden. Da insbesondere der Kippwinkel und optional der laterale Wellenversatz bestimmt werden können, können diese bei der Bestimmung der Drehzahl n und/oder des Drehmoments T und somit bei der Bestimmung einer übertragenen Leistung P (P=2π ▪ T ▪ n) berücksichtigt werden, sodass sehr genaue Bestimmungen möglich sind. Der Mittelwert der von sich gegenüberliegender Detektoreinheiten 12a, 12b oder 14a, 14b (entsprechend 22a, 22b oder 24a, 24b) erfassten Winkellagen eliminiert beispielsweise den Effekt der radialen Verlagerung bei der Drehmomentbestimmung. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Welle 100. In Fig. 4 ist die Welle 100 aus Fig. 3 mit an der Welle 100 angeordneten Detektoreinheiten dargestellt. Die Welle ist als Hohlwelle ausgebildet und umfasst zwei umlaufende Befestigungsflansche 111, 121. An diese Befestigungsflansche 111, 121 ist jeweils eine Hülse 112, 122, vorzugsweise stirnseitig, angeschraubt. Die Hülsen 112, 122 umfassen je eine Mantelfläche 114, 124. Auf diese Mantelfläche ist eine Skalierung 115, 125 aufgebracht. Die Skalierung kann eine optische Skalierung sein, die beispielsweise mittels Laserablation hergestellt wurde. Ebenso kann die Skalierung eine magnetische Skalierung sein. Die Skalierung kann von den Detektoreinheiten 12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b (s. Fig. 4) ausgelesen werden und die Erfassung einer absoluten oder relativen Winkellage ermöglichen. Die Hülse 112 ist hier an der ersten axialen Position A1 angeordnet und der ersten Messvorrichtung 10 (d.h. insbesondere den Detektoreinheiten 12a, 12b, 14a, 14b) zugeordnet. Die Hülse 122 ist hier an der zweiten axialen Position A2 angeordnet und der zweiten Messvorrichtung 20 (d.h. insbesondere den Detektoreinheiten 22a, 22b, 24a, 24b) zugeordnet. Die Welle 100 kann beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 50 mm bis 200 mm aufweisen, oder im Bereich von 80 mm bis 160 mm, oder im Bereich von 100 mm bis 120 mm. Die Hülsen können beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 70 mm bis 220 mm aufweisen, oder im Bereich von 100 mm bis 180 mm, oder im Bereich von 120 mm bis 140 mm. Ebenso ist es möglich die Skalierung(en) unmittelbar auf die Welle aufzubringen. Zudem kann die erste axiale Position A1 von der zweiten axialen Position A2 10 mm bis 90 mm beabstandet sein, oder 30 mm bis 70 mm oder 35 mm bis 45 mm. Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Messsystems 1, die verdeutlicht, wie die Hülsen 112, 122 an den Befestigungsflanschen 111, 121 der Welle 100 angebracht sind. Es versteht sich, dass die gezeigte Verschraubung nur exemplarisch ist, und andere Befestigungsmittel, insbesondere gängige Welle- Nabe-Verbindungen, genutzt werden. In Fig. 6 ist die Welle 100 nochmals ohne die Hülsen gezeigt. Zwischen den Befestigungsflanschen 111, 121 und somit zwischen der ersten axialen Position und der zweiten axialen Position weist die Welle 100 eine Vielzahl von Durchbrüchen 130 auf. Beispielsweise umfasst die Welle 4 bis 32 Durchbrüche, oder 8 bis 24 Durchbrüche, oder 12 bis 16 Durchbrüche. Die Durchbrüche weisen beispielsweise eine Weite w (in Umfangsrichtung) auf, die beispielsweise im Bereich von 3 mm bis 15 mm, oder im Bereich von 5 mm bis 12 mm, oder im Bereich von 7 mm bis 9 mm liegt. Die Verbindungsstege können beispielsweise eine radiale Stegbreite h im Bereich von 2 mm bis 15 mm, oder im Bereich von 4 mm bis 10 mm, oder im Bereich von 6 mm bis 8 mm aufweisen. Die Wandstärke der Verbindungsstege (in Umfangsrichtung) kann beispielsweise im Bereich von 0,8 mm bis 5 mm, oder im Bereich von 1mm bis 3 mm liegen. Durch die geometrische Gestaltung der Durchbrüche 130 und der Verbindungsstege 135 kann die Torsionssteifigkeit und die Kippsteifigkeit der Welle definiert werden. Eine große Durchbruchweite w und eine hohe Vielzahl an Durchbrüchen senkt die Torsionssteifigkeit. Eine große Stegbreite h der Verbindungsstege in radialer Richtung erhöht die Biege- und Kippsteifigkeit. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Messsystems 2. Auch dieses Messsystem 2 dient zur Bestimmung eines Drehmoments T und eines Kippwinkels γ einer Welle 100‘. Zudem können ein lateraler Wellenversatz δ sowie eine Drehzahl der Welle 100‘ bestimmt werden. Hierzu werden Winkellagen an unterschiedlichen Durchmessern D1, D2 und Umfangspositionen der Welle 100‘ erfasst. Das Messsystem 2 umfasst eine erste Messvorrichtung 10‘ und eine zweite Messvorrichtung 20‘. Diese Messvorrichtungen 10‘, 20‘ sind im Bereich der Welle 100‘ angeordnet. Die Messvorrichtungen 10‘, 20‘ können so angeordnet sein, dass sie nicht mit der Welle 100‘ mitrotieren. Die erfassten Daten (insbesondere Winkellagen) können somit einfach an eine Auswerteinheit oder dergleichen übertragen werden. Die erste Messvorrichtung 10‘ ist einem ersten Durchmesser D1 zugeordnet. Die zweite Messvorrichtung 20‘ ist einem zweiten Durchmesser D2, der von dem ersten Durchmesser D1 verschieden ist zugeordnet. Das Messsystem 2 umfasst zumindest vier Detektoreinheiten. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Messsystem 2 acht Detektoreinheiten 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘; 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘. Jede der Detektoreinheiten ist zur Erfassung einer Winkellage φ der Welle 100‘ eingerichtet. Die hier gezeigte erste Messvorrichtung 10‘ umfasst vier Detektoreinheiten 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, die sich am ersten Durchmesser D1 paarweise gegenüberliegen. Grundsätzlich wäre hier zumindest eine Detektoreinheit ausreichend. Die vier Detektoreinheiten 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘ sind so um die Welle 100‘ herum angeordnet, dass sie die Winkellagen φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4 der Welle 100‘ an unterschiedlichen Umfangspositionen (R1 bis R4, s. Fig. 1C) der Welle 100‘ erfassen können. Die Detektoreinheit 12a‘ erfasst die Winkellage φDE1,1, die Detektoreinheit 12b‘ erfasst die Winkellage φDE1,3, Detektoreinheit 14a‘ erfasst die Winkellage φDE1,2 und die Detektoreinheit 14b‘ erfasst die Winkellage φDE1,4. Diese Winkellagen unterscheiden sich nicht nur aufgrund der Umfangsposition der einzelnen Detektoreinheiten, sondern auch aufgrund einer radialen Verlagerung der Welle. Die zweite Messvorrichtung 20‘ kann analog zu der ersten Messvorrichtung aufgebaut sein. Die zweite Messvorrichtung 20‘ umfasst jedoch zumindest zwei Detektoreinheiten. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, umfasst die zweite Messvorrichtung 20‘ in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vier Detektoreinheiten 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘, die sich am zweiten Durchmesser D2 paarweise gegenüberliegen. Die vier Detektoreinheiten 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘ sind so um die Welle herum angeordnet, dass sie die Winkellage φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4 der Welle 100‘ an unterschiedlichen Umfangspositionen erfassen können. Diese Umfangspositionen können den Umfangspositionen der Detektoreinheiten der ersten Messvorrichtung 10 entsprechen, oder sie können versetzt zu diesen sein (beispielsweise 45°). Die Detektoreinheit 22a‘ erfasst die Winkellage φDE2,1, die Detektoreinheit 22b‘ erfasst die Winkellage φDE2,3, Detektoreinheit 24a‘ erfasst die Winkellage φDE2,2 und die Detektoreinheit 24b‘ erfasst die Winkellage φDE2,4. Auch diese Winkellagen unterscheiden sich nicht nur aufgrund der Umfangsposition der einzelnen Detektoreinheiten, sondern auch aufgrund einer radialen Verlagerung der Welle. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, weist die Welle 100‘ in einem Bereich zwischen dem ersten Durchmesser D1, dem die erste Messvorrichtung 10‘ zugeordnet ist, und dem zweiten Durchmesser D2, dem die zweite Messvorrichtung 20‘ zugeordnet ist eine Torsionssteifigkeit cφ auf. Das wirkende Drehmoment T ergibt sich somit (im linear-elastischen Verformungsbereich) zu T = cφ ▪ (φ2 - φ1). φ1 bzw.φ2 sind die erfassten (und ggf. gemittelten) Winkellagen, die von der ersten bzw. zweiten Messvorrichtung erfasst wurden. In Fig. 8 ist die Welle 100‘ des Messsystems 2 in einer stirnseitigen Ansicht gezeigt. Die Welle umfasst eine erste Skalierung 115‘, die dem ersten Durchmesser zugeordnet ist, und eine zweite Skalierung 125‘, die dem zweiten Durchmesser zugeordnet ist. Zwischen den Durchmessern D1, D2, und somit zwischen der ersten Messvorrichtung 10‘ und der zweiten Messvorrichtung 20‘ weist die Welle 100‘ eine Vielzahl von Durchbrüchen 130‘ auf. Beispielsweise umfasst die Welle 4 bis 32 Durchbrüche, oder 8 bis 24 Durchbrüche, oder 12 bis 16 Durchbrüche. Die Durchbrüche sind jeweils durch Verbindungsstege 135‘ begrenzt. Durch die geometrische Gestaltung der Durchbrüche 130‘ und der Verbindungsstege 135‘ kann die Torsionssteifigkeit und die Kippsteifigkeit der Welle definiert werden. Eine große Durchbruchweite und eine hohe Vielzahl an Durchbrüchen senkt die Torsionssteifigkeit. Eine große Stegbreite der Verbindungsstege erhöht die Biege- und Kippsteifigkeit. Die Welle 100‘ des Messsystems 2 kann beispielsweise eine Hohlwelle oder eine Stufen-Welle mit unterschiedlichen Durchmessern sein. Im Falle einer Hohlwelle können die Winkellagen auf einem Innen- und/oder Außen-Durchmesser erfasst werden. Ebenso ist es möglich, die Winkellagen stirnseitig zu erfassen. Fig. 9 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren umfasst das Erfassen 1100 von zumindest vier Winkellagen der Welle, an unterschiedlichen Positionen (axiale Positionen und Umfangspositionen oder Durchmessern und Umfangspositionen), wobei an einer ersten axialen Position der Welle an zumindest einer Umfangsposition der Welle eine Winkellage erfasst wird, und wobei an einer zweiten axialen Position der Welle, welche von der ersten axialen Position verschieden ist, an zumindest zwei Umfangspositionen eine Winkellage erfasst wird, und wobei sich zumindest drei der Umfangspositionen, an denen die zumindest vier Winkellagen der Welle erfasst werden, unterscheiden. Werden die zumindest vier Winkellagen der Welle an einem ersten und einem zweiten Durchmesser erfasst, wird auf dem ersten Durchmesser der Welle an zumindest einer Umfangsposition der Welle eine Winkellage erfasst, und auf dem zweiten Durchmesser, welcher von dem Durchmesser verschieden ist, wird an zumindest zwei Umfangspositionen eine Winkellage erfasst. Basierend auf den erfassten Winkellagen, kann dann das Drehmoment T und der Kippwinkel γ der Welle bestimmt werden (1200). Zudem kann ein lateraler Wellenversatz δ und/oder einer Drehzahl n der Welle basierend auf den erfassten Winkellagen bestimmt werden (1300). Einige der Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben als andere. Andere Ausführungsformen sind jedoch ebenso in der vorliegenden Offenbarung enthalten. Die vorliegende Offenbarung sollte nicht so verstanden werden, dass sie nur auf die hier explizit dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist; vielmehr werden diese Ausführungsformen als Beispiele angeführt, um dem Fachmann den Umfang des erfindungsgemäßen Gegenstandes zu vermitteln. Die vorliegende Erfindung kann natürlich auch auf andere Weise als die hierin dargelegte ausgeführt werden, ohne dass dadurch wesentliche Merkmale der Erfindung beeinträchtigt werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht als illustrativ und nicht einschränkend zu betrachten, sodass auch Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsformen unter den Schutzbereich fallen können.
Bezugszeichenliste 1 Messsystem 10 Messvorrichtung 12a Detektoreinheit 12b Detektoreinheit 14a Detektoreinheit 14b Detektoreinheit 20 Messvorrichtung 22a Detektoreinheit 22b Detektoreinheit 24a Detektoreinheit 24b Detektoreinheit 100 Welle 111 Flansch 112 Hülse 114 Mantelfläche 115 Skalierung 121 Flansch 122 Hülse 124 Mantelfläche 125 Skalierung 130 Durchbruch 135 Verbindungssteg 200 Lager 1000 Verfahren 1100 Erfassen von Winkellagen 1200 Bestimmen von Drehmoment und Kippwinkel 1300 Bestimmen von lateralem Wellenversatz und/oder der Drehzahl T Drehmoment φ Winkellage γ Kippwinkel δ Wellenversatz n Drehzahl aB Abstand (Lager – erste axiale Position) aD Abstand (erste axiale Position – zweite axiale Position) cφ Torsionssteifigkeit cT Kippsteifigkeit u radiale Verlagerung h Stegbreite w Öffnungsweite A1, A2 axiale Position R1-4 Umfangsposition D1 erster Durchmesser D2 zweiter Durchmesser

Claims

Ansprüche 1 bis 15 1. Ein Messsystem (1; 2) zur Bestimmung eines Drehmoments (T) und eines Kippwinkels (γ) einer Welle (100; 100‘), das Messsystem (1; 2) umfassend eine erste Messvorrichtung (10; 10‘) und eine zweite Messvorrichtung (20, 20‘), wobei die erste Messvorrichtung (10) an einer ersten axialen Position (A1) der Welle anordenbar ist, und wobei die zweite Messvorrichtung (20) an einer zweiten axialen Position (A2) der Welle (100) anordenbar ist, wobei die erste axiale Position von der zweiten axialen Position verschieden ist, oder wobei die erste Messvorrichtung (10‘) einem ersten Durchmesser (D1) der Welle zuordenbar ist, und wobei die zweite Messvorrichtung (20‘) einem zweiten Durchmesser (D2) der Welle (100‘) zuordenbar ist, wobei der erste Durchmesser (D1) von dem zweiten Durchmesser (D2) verschieden ist; und zumindest vier Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘), wobei jede der Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) zur Erfassung einer Winkellage (φ) der Welle (100; 100‘) eingerichtet ist, wobei die erste Messvorrichtung (10; 10‘) zumindest eine Detektoreinheit (12a, 12b, 14a, 14b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘,) umfasst, und wobei die zweite Messvorrichtung (20; 20‘) zumindest zwei Detektoreinheiten (22a, 22b, 24a, 24b; 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) umfasst, wobei zumindest drei Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) des Messsystems (1; 2) dazu eingerichtet sind, jeweils die Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100‘) an unterschiedlichen Umfangspositionen (R1, R2, R3, R4) der Welle (100; 100‘) zu erfassen. 2. Das Messsystem (1; 2) nach Anspruch 1, wobei das Messsystem (1; 2) eine Vielzahl von Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) umfasst, die jeweils zur Erfassung einer Winkellage (φ) der Welle (100; 100‘) eingerichtet sind, wobei der ersten Messvorrichtung (10; 10‘) zumindest zwei, oder zumindest drei, oder zumindest vier Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘) zugeordnet sind, und wobei der zweiten Messvorrichtung (20; 20‘) zumindest zwei, oder zumindest drei, oder zumindest vier Detektoreinheiten (22a, 22b, 24a, 24b; 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) zugeordnet sind, wobei optional zumindest vier Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) dazu eingerichtet sind, jeweils die Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100‘) an unterschiedlichen Umfangspositionen der Welle zu erfassen. 3. Das Messsystem (1; 2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘) der ersten Messvorrichtung (10; 10‘) dazu eingerichtet sind, die Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4) der Welle (100; 100‘) an unterschiedlichen Umfangspositionen (R1, R2, R3, R4) der Welle (100; 100‘) zu erfassen, wobei die Umfangspositionen (R1, R2, R3, R4) gleichmäßig um den Umfang der Welle (100; 100‘) verteilt sind, und/oder wobei die Detektoreinheiten (22a, 22b, 24a, 24b; 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) der zweiten Messvorrichtung (20; 20‘) dazu eingerichtet sind, die Winkellage (φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100‘) an unterschiedlichen Umfangspositionen (R1, R2, R3, R4) der Welle (100; 100‘) zu erfassen, wobei die Umfangspositionen (R1, R2, R3, R4) gleichmäßig um den Umfang der Welle (100; 100‘) verteilt sind. 4. Das Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) zumindest einen optischen, induktiven, magnetischen und/oder kapazitiven Sensor umfassen. 5. Das Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Messsystem (1; 2) zumindest eine Skalierung (115; 115‘) aufweist, die der ersten Messvorrichtung (10; 10‘) zugeordnet ist und zumindest eine Skalierung (125; 125‘), die der der zweiten Messvorrichtung (20; 20‘) zugeordnet ist, wobei die Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) dazu eingerichtet sind die zumindest eine Skalierung (115, 125; 115‘, 125‘) zu erfassen, um die Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100) zu erfassen, wobei die Skalierung (115, 125; 115‘, 125‘) dazu eingerichtet ist mit der Welle (100; 100) mitrotiert zu werden. 6. Das Messsystem (1; 2) nach Anspruch 5, wobei die zumindest eine Skalierung auf eine Hülse (112, 122) aufgebracht ist, wobei die Hülse (112, 122) drehfest mit der Welle (100; 100‘) verbindbar ist. 7. Das Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest eine der Detektoreinheiten (12a, 12b, 14a, 14b, 22a, 22b, 24a, 24b; 12a‘, 12b‘, 14a‘, 14b‘, 22a‘, 22b‘, 24a‘, 24b‘) dazu eingerichtet ist, die Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100‘) absolut zu erfassen, und/oder wobei zumindest eine Skalierung (115, 125; 115‘, 125‘) dazu eingerichtet eine absolute Winkellage der Welle (100; 100‘) anzugeben. 8. Das Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Messsystem (1; 2) weiterhin eine Welle (100; 100‘) umfasst, wobei die Welle (100) in einem Bereich zwischen der ersten axialen Position (A1) und der zweiten axialen Position (A2) eine definierte, im Wesentlichen lineare Torsionssteifigkeit (cφ) aufweist, und/oder wobei die Welle (100‘) in einem Bereich zwischen dem ersten Durchmesser (D1) und dem zweiten Durchmesser (D2) eine definierte, im Wesentlichen lineare Torsionssteifigkeit (cφ) aufweist, wobei die Torsionssteifigkeit (cφ) optional größer als 250 kNm/rad, insbesondere größer als 300 kNm/rad, oder größer als 360 kNm/rad ist, und/oder wobei die Welle (100; 100‘) eine definierte, im Wesentlichen lineare Kippsteifigkeit (cT) aufweist, wobei die Kippsteifigkeit (cT) optional größer als 1300 kNm/rad, insbesondere größer als 1400 kNm/rad, oder größer als 1500 kNm/rad ist. 9. Das Messsystem (1; 2) nach Anspruch 8, wobei die Welle (100; 100‘) eine Hohlwelle ist, die eine Vielzahl von radialen Durchbrüchen (130), oder axialen Durchbrüchen (130‘) umfasst. 10. Das Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Messsystem (1; 2) weiterhin zur Bestimmung eines lateralen Wellenversatzes (δ) und/oder einer Drehzahl (n) der Welle (100) basierend auf den erfassten Winkellagen (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) eingerichtet ist. 11. Das Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Messsystem (1; 2) weiterhin eine Auswerteinheit umfasst, wobei die Auswerteinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf den erfassten Winkellagen (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) ein wirkendes Drehmoment (T) und einen Kippwinkel (γ) und optional einen lateralen Wellenversatz (δ) und weiter optional eine Drehzahl (n) der Welle (100; 100‘) zu bestimmen. 12. Ein Antriebssystem, umfassend eine Welle (100; 100‘) und einen Motor und/oder ein Getriebe, wobei die Welle (100; 100‘) mittels des Motors und/oder des Getriebes antreibbar ist, oder das Getriebe antreiben kann, und wobei das Antriebssystem weiterhin ein Messsystem (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst, welches dazu eingerichtet ist ein Drehmoment (T) und einen Kippwinkel (γ) der Welle (100) zu bestimmen. 13. Verfahren (1000) zur Bestimmung eines Drehmoments (T) und eines Kippwinkels (γ) einer Welle (100), wobei das Verfahren (1000) folgendes umfasst: Erfassen (1100) von zumindest vier Winkellagen (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100‘), an unterschiedlichen Positionen, wobei an einer ersten axialen Position (A1) der Welle an zumindest einer Umfangsposition der Welle (100) eine Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4) erfasst wird, und wobei an einer zweiten axialen Position (A2) der Welle (100), welche von der ersten axialen Position verschieden ist, an zumindest zwei Umfangspositionen eine Winkellage (φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) erfasst wird, oder wobei auf einem ersten Durchmesser (D1) der Welle (100‘) an zumindest einer Umfangsposition der Welle (100‘) eine Winkellage (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4) erfasst wird, und wobei auf einem zweiten Durchmesser (D2), welcher von dem Durchmesser (D1) verschieden ist, an zumindest zwei Umfangspositionen eine Winkellage (φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) erfasst wird, und wobei sich zumindest drei der Umfangspositionen, an denen die zumindest vier Winkellagen (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) der Welle (100; 100‘) erfasst werden unterscheiden; und Bestimmen (1200) des Drehmoments (T) und des Kippwinkels (γ) der Welle (100; 100‘), basierend auf den erfassten Winkellagen (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4), wobei das Erfassen (1100) insbesondere mittels eines Messsystems (1; 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 erfolgt. 14. Verfahren (1000) nach Anspruch 13, wobei das Verfahren weiterhin das Bestimmen (1300) eines lateralen Wellenversatzes (δ) der Welle (100) und/oder einer Drehzahl (n) der Welle (100; 100‘) basierend auf den erfassten Winkellagen (φDE1,1, φDE1,2, φDE1,3, φDE1,4, φDE2,1, φDE2,2, φDE2,3, φDE2,4) umfasst. 15. Computerprogramm, umfassend Anweisungen, die, wenn sie von einem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor dazu veranlassen ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments (T) und eines Kippwinkels (γ) einer Welle (100; 100‘) gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14 auszuführen.
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