Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Miniaturisierter, vibrationsstabiler Drehmoment- und Absolutdrehwinkelgeber

Turbinen, Lenkwellen in Autos, Wellen in Windenergieanlagen und Elektromotoren sind nur eine kleine Auswahl an Anlagen in denen die Erfassung des Drehwinkels und/oder des Drehmoments heutzutage standardmäßig eingesetzt wird. Dabei haben diese Beispiele alle gemein, dass die Erfassung beider Größen bevorzugt berührungslos und gleichzeitig ohne Eingriff in die Welle gefordert wird, was heute aber nicht möglich ist.

Um diese Lücke zu schließen, wurde ein berührungsloses Messverfahren für die Drehmomentmessung entwickelt, bei dem zuvor codierte Markierungen auf eine Welle aufgebracht und mittels Kameras ausgelesen werden (FKZ: 18200 N). Für die Markierungen wird ein laserbasierter Oxidationsprozess auf der Oberfläche eingesetzt, der die Festigkeit der Welle nicht beeinflusst. Anbauten an die Welle, die die Festigkeit der Welle verringern sind ebenfalls nicht notwendig. Trotz der grundsätzlichen Eignung des Messverfahrens gibt es noch Hemmnisse, die insbesondere KMUs davon abhalten, die für eine Produktentwicklung notwendigen Entwicklungsarbeiten zu starten. Im Rahmen des beantragten Projektes, sollen dabei insbesondere Methoden zur wirtschaftlichen Fertigung bearbeitet werden. Dafür sind die Stabilität und Kosten der optischen Komponenten essentiell und zudem eine deutliche Erhöhung der Markiergeschwindigkeit erforderlich. Die Ziele des Vorhabens gliedern sich wie folgt:

- Verbesserung der Robustheit des Messverfahrens gegenüber Vibrationen und in Bezug auf die Langlebigkeit und Auslesbarkeit der Markierungen

- Entwicklung der produktionstechnischen Grundlagen durch Verringerung des Synchronisationsaufwandes der Messstellen zur Drehmomentbestimmung und Erhöhung der Markiergeschwindigkeit

- Erhöhung der Integrierbarkeit durch Reduzierung der Baugröße und Verringerung der Markierbreiten

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Vorhabens bestand in der Verbesserung eines neuartigen Messverfahrens zur berührungslosen und simultanen Erfassung des absoluten Drehwinkels und des Drehmoments an rotierenden Wellen. Dabei kommt es ohne Anbauten aus, die die Steifigkeit oder den Durchmesser der Welle verändern, da es kamerabasiert zwei codierte Skalen auf einer Welle ausliest. Die Codierung wird schädigungsfrei durch einen Laser erzeugt.

Im Rahmen des Projekts erfolgte eine Weiterentwicklung des Messverfahrens. Zur Überwindung von Hindernissen bzgl. Produktentwicklungen und Investitionen von KMU in diese Messtechnik sollten in diesem Zusammenhang folgende Kernziele erreicht werden: 1.) Die Entwicklung und Demonstration einer vibrationsstabilen, vereinfachten und günstigen Ausleseeinheit zur Drehmoment- und Absolutdrehwinkelmessung. 2.) Die Entwicklung und Demonstration von Methoden, um den Lasermarkierprozess um den Faktor 320 bis 1.000 zu beschleunigen und die Korrosionsbeständigkeit und Langzeitauslesbarkeit der Markierungen nachzuweisen.

Es konnte ein überarbeitetes Messsystem konzipiert und evaluiert werden, welches hinsichtlich zentraler Kenngrößen wie Belichtungsdauer, Abtastrate und Verarbeitungsgeschwindigkeit erhebliche Verbesserungen gegenüber dem Vorgängerprojekt aufweist. Gleichzeitig wurde das neue Messsystem zu einem Bruchteil der Kosten des Vorgängersystems realisiert und in seinen Abmaßen deutlich reduziert. Eine echtzeitfähige, vollparallelisierte Messdatenverarbeitung mit integrierter Behandlung von Abbildungsfehlern und vibrationsbedingten Störungen wurde in einem FPGA umgesetzt. Verschiedene Ansätze zur Optimierung der verwendeten Codierungen für eine Verbesserung der Messsicherheit und der Robustheit des Verfahrens wurden demonstriert. Kombinierte Messungen aus zwei Winkelmessmodulen wurden durchgeführt und ausgewertet. Die Teilziele einer gesteigerten Robustheit, reduzierten Belichtungszeit, verringerten Bauraum und Kosten wurden erreicht.