Elektromagnetische Vorrichtung zur Messung der Lage zweier beweglicher Teile in bezug aufeinander
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung zum Messen der Lage zweier beweglicher Teile in bezug aufeinander, die mit zwei länglichen Gliedern versehen ist, welche mit den gegeneinander beweglichen Teilen verkuppelbar sind, so dass sie an der Bewegung teilnehmen, wobei beide Glieder mit mindestens je einer Wicklung versehen sind, die sich parallel zu der geradlinigen Bewegung erstreckt, so dass Spannungen, die der oder den Wicklungen des zweiten Gliedes zugeführt werden, Spannungen in der oder den Wicklungen des ersten Gliedes erzeugen.
Die Erfindung bezweckt, eine relativ einfache Vorrichtung obiger Art zu schaffen, welche insbesondere angewendet werden kann, um - mit oder ohne Registrierung - die Bewegung eines Werkstückes, eines Werkzeuges oder eines Werkzeugschlittens in bezug auf das Bett einer Werkzeugmaschine sehr genau zu überwachen.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Glied mit einer ersten Wicklung versehen ist, die von einem Be zugspunkt in entgegengesetzter Richtung verlaufende Windungen aufweist und deren Wicklungsdichte sich fortlaufend ändert, derart, dass die Dichte an irgendeinem Punkte linear proportional zu der Entfernung des betreffenden Punktes vom Bezugspunkt ist, und dass das zweite Glied eine Wicklung aufweist von geringerer Länge als diejenige der Wicklung des ersten Gliedes, wobei das erste und zweite Glied derart zueinander liegen, dass die erste Wicklung sich über die zweite Wicklung zu beiden Seiten des Bezugspunktes hinaus erstreckt und bei Anlegen einer Spannung an die zweite Wicklung eine Spannung in der ersten Wicklung erzeugt wird von einer Grösse,
die linear von der Verschiebung der beiden Glieder in bezug aufeinander abhängig ist.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispieles, in welchem eine Hülse in bezug auf einen Stab bewegbar ist.
Fig. 2 und 3 sind eine Seitenansicht, respektive ein Längsschnitt durch den Stab.
Fig. 4 und 5 sind ein Längsschnitt, respektive eine Seitenansicht der Hülse.
Fig. 6 ist das Schaltungsschema der Messvorrichtung.
In der Messvorrichtung nach Fig. 1 trägt ein Stab 1 einen Teil eines magnetischen Kreises und Wicklungen und ist in bezug auf eine zu messende Bewegung unbeweglich.
Eine Hülse 4 trägt einen anderen Teil eines magnetischen Kreises und ist mittels einer Klammer 4' an dem Gegenstand befestigt, dessen Bewegung gemessen werden soll. Beispielsweise kann der Stab am Körper oder Bett einer Werkzeugmaschine befestigt sein und die Hülse an einem Werkzeugtisch.
Um den Stab 1 vor dem Eindringen von Schmutz oder dergleichen zu schützen, ist vorzugsweise ein Balg 2 vorgesehen, der den Stab 1 umgibt. : Dieser Balg 2 kann aus magnetischem Material bestehen, um einen magnetischen Nebenschlussweg für Streufelder zu bilden; er kann aber auch aus Gummi, Kunststoff oder anderem geeignetem, biegsamem Material bestehen. Metallringe 3 sind in Intervallen vorgesehen, um die Eliminierung von magnetischen Streufeldern zu unterstützen.
Wie in Fig. 2 und 3 näher dargestellt ist, umfasst der Stab 1 ein Rohr 5, das aus einem Material von grosser Festigkeit und Starrheit besteht und vorzugsweise einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Mit Schlitzen versehene Endstücke 10 halten Streifen 7 aus magnetisch hochpermeablem Material, z. B. Mü-Metall, auf dem Umfang des Rohres 5 fest. Die Längsachse jedes Streifens ist parallel zu Längsachse des Stabes, und die Streifen sind radial äquidistant rund um den Stab angeordnet und durch Verkitten radial am Ort gehalten, z. B. unter Anwendung des unter die Bezeichnung Araldit (eingetragene Marke) bekannten Kitt- oder Klebmaterials. Endkappen 10 umschliessen die Enden des Stabes, durch welchen eine ihn tragende Gewindespindel 14 hindurchgeht.
Eine Isolierlage 8 ist auf den Streifen 7 angebracht und ihrerseits von einer Wicklung 9 überdeckt, welche in entgegengesetztem Sinne gewickelte Abschnitte aufweist, die sich, von einem gegebenen ( Bezugspunkt ) in der Mitte der Längsausdehnung des Stabes, nach entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Bei diesem gegebenen Punkt verläuft der die Wicklung bildende Draht parallel zur Achse des Stabes, so dass der Schraubungswinkel, das heisst der Winkel zwischen dem Draht und der Diametralebene des Stabes, 900 ist. In jedem anderen Punkt des Stabes ist die Kotangente des Schraubungswinkels linear proportional zum Abstand zwischen diesem Punkt und dem Messpunkt.
Die Wicklungsdichte der Wicklung ist somit progressiv längs des Stabes variabel, wobei diese Wicklungsdichte in jedem Punkt linear proportional ist dem Abstand zwischen diesem Punkt und dem Messpunkt, während die totale Anzahl der Windungen zwischen dem betrachteten Punkt und dem Bezugspunkt linear proportional ist dem Quadrat dieses Abstandes.
Die Wicklung 9 kann aus einem Kupferrohr gebildet sein, das einen schraubenlinienförmigen Sägeschnitt oder Schlitz von variabler Ganghöhe aufweist und über die Isolation geschrumpft oder gepresst ist. Statt dessen kann die Wicklung auch auf eine äquivalente Weise hergestellt werden, z. B. durch Photo-Ätzung. Man kann auch eine Nut in das magnetische Material schneiden und einen leitenden Draht in die Nut pressen.
Eine weitere Isolierlage 11 ist auf der Wicklung 9 vorgesehen und eine weitere mit einem Sägeschnitt gebildete Wicklung 12, die der Wicklung ähnlich ist, ist auf der Aussenseite der Isolierlage 11 angebracht. Der Anfang des Sägeschnittes bzw.
Schlitzes, ist bei 15 dargestellt. Zweckmässig ist das Ganze zusammengesetzte Gebilde mit einer oberen Isolierlage 13 versehen, die in Fig. 3, nicht aber in Fig. 2, gezeigt ist.
Der auf obige Weise zusammengesetzte Stab 1 kann nun in dem Balg 2 untergebracht werden, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Die Konstruktion der Hülse ist in Fig. 4 und 5 dargestellt.
Ein auf nicht näher dargestellte Weise zusammenrückbarer Dorn 16 wird mit einer dünnen Isolierlage umwickelt, die z. B. aus Melanexband bestehen kann, und darüber wird ein Kupferrohr geschoben. Dieses Kupferrohr ist mit einem ähnlichen Sägeschnitt versehen wie die Kupferrohre des Stabes, wodurch es eine Wicklung 17' bildet. Verbindungen von den Enden dieses Rohres sind zu den Klemmen 17 (siehe Fig. 1, 4 und 5) geführt.
Über dem Rohr ist eine Isolierlage vorgesehen und über letzterer ist eine Wicklung 18' von gleichmässiger Wicklungsdichte angebracht, die eine einzige Lage von Leitern umfasst und nachfolgend als die dicke Drahtwicklung bezeichnet wird. Die Enden der Wicklung 18' sind mit den Klemmen 18 verbunden, und eine mittlere Anzapfung ist mit der Klemme 19 verbunden. Über dieser Wicklung ist in den Furchen zwischen den Windungen eine andere Wicklung 20' von dünnem Draht vorgesehen. Die Enden dieser Wicklung 20 sind mit den Klemmen 20 und ihre mittlere Anzapfung mit der Klemme 21 verbunden. Die verschiedenen, oben beschriebenen Wicklungen 17', 18' und 20' sind in Fig. 4 zusammen dargestellt und gemeinsam mit 22 bezeichnet.
Endringe 23 sind auf dem Rohr 16 und den Wicklungen 22 angeordnet. Die Endringe sind mit Haltemitteln für sich in Längsrichtung erstreckende Streifen 24 versehen, die rund um die Wicklungen 22 angebracht sind. Diese Streifen bestehen zweckmässig aus Mü-Metall.
Die Endringe 23 und die Mü-Metallstreifen werden von einem äusseren Gehäuse oder Zylinder 25 umschlossen und das Ganze ist mit Aralditlack oder einem äquivalenten Material getränkt, um die Teile aneinander und an Endkappen 26 zu befestigen.
Der Dorn 16 wird hierauf zusammengedrückt und aus dem Ganzen herausgezogen.
Das in Fig. 6 gezeigte Schaltungsschema bezweckt, in der Messvorrichtung eine Spannung zu liefern, die der relativen, linearen Verschiebung zwischen Hülse und Stab proportional ist.
Ein nicht gezeigter Transformator wird primärseitig durch eine Wechselspannung erregt und ist mit einer Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung versehen, welche mit einer geerdeten Leitung verbunden ist, während ihre Enden mit Klemmen 30 verbunden sind. Die Klemmen 30 bilden einen Eingang eines Gegentakt-Summiernetzwerkes, das Widerstände 31 und 32 umfasst. Ein anderer Eingang des Summiernetzwerkes wird von dem Ausgang der Wicklung 20' gebildet, welches die dünne Wicklung der Hülse ist.
Die Mittelanzapfung 21 der dünnen Drahtwicklung ist mit dem Erdungsdraht verbunden. Der Ausgang des Summiemetzwerkes ist mit dem Eingang eines Rückkopplungsverstärkers 33 verbunden. Der Rückkopplungsverstärker 33 hat einen grossen Verstärkungsgrad und erregt die dicke Drahtwicklung 18' der Hülse. Die Verbindungen zu dem Rückkopplungsverstärker sind so gepolt, dass die Ausgangsleistung des Summiemetzwerkes auf Null tendiert, das heisst die durch den Rückkopplungsverstärker an die Klemmen 18 angelegte Spannung ist so justiert, dass die in der Wicklung 20' induzierte Spannung nahezu gleich ist der Bezugsspannung, die den Klemmen 30 zugeführt wird, vorausgesetzt, dass die beiden Widerstände 31 und 32 des Summiernetzwerkes von gleicher Grösse sind.
Ein Ende der Wicklung 17' ist geerdet und ihr anderes Ende mit dem Eingang des Rückkopplungsverstärkers 34 verbunden. Der Ausgang des Rückkopplungsverstärkers ist einerseits mit Erde und anderseits mit der Mittelanzapfung 19 der dicken Drahtwicklung 18' auf der Hülse verbunden. Die Mittelanzapfung des Gegentaktausganges des Rückkopplungsverstärkers 33 ist mit Erde verbunden.
Demzufolge addiert sich die Ausgangsspannung des Rückkopplungsverstärkers 34 zu der Spannung der einen Hälfte der dicken Drahtwicklung 18' und subtrahiert sich von der Spannung der anderen Hälfte, so dass die Spannungen, die am Ausgang des Rückkopplungsverstärkers 34 auftreten, die Flussverteilung längs der Hülse beeinflussen.
Wie später erläutert werden soll, bewirkt eine Wechselspannung, die der Wicklung 18' der Hülse zugeführt wird, dass eine Spannung, die dem Abstand zwischen der Mitte der Hülse und der Mitte des Stabes proportional ist, in der äusseren Wicklung 12 des Stabes induziert wird. Ungenauigkeiten in dieser Spannung können durch kapazitive Ströme verursacht werden, die zwischen den Wicklungen und dem Kern des Stabes fliessen. Um diese kapazitiven Ströme möglichst klein zu halten, sind die Klemmen der Wicklung 12 mit den Gittern 35, 36 zweier Kathodenverstärkerröhren verbunden. Die Kathoden 41, 42 der Kathodenverstärkerröhren sind mit den Enden der inneren Wicklung 9 des Stabes verbunden, so dass die kapazitiven Ströme längs der inneren Wicklung 9 statt längs der äusseren Wicklung 12 fliessen.
Ein Potentiometer 37 ist mit der Mittelanzapfung 40 der inneren Wicklung 9 verbunden und kann von Hand eingestellt werden, zur weiteren Steuerung der kapazitiven Ströme, die die innere Wicklung 9 durchfliessen.
Damit die Spannung an den Enden der Wicklung 12 symmetrisch im Gegentakt in bezug auf Erde ist, ist ein mit einer Mittelanzapfung versehener Autotransformator 38 vorgesehen, dessen Aussenklemmen mit den Klemmen der Wicklungen 12 verbunden sind, während seine Mittelanzapfung geerdet ist.
Die äussere Wicklung 12 auf dem Stab hat eine ähnliche Form wie die Wicklung 9, indem sie ebenfalls in entgegengesetztem Sinne gewickelte Abschnitte hat, die sich vom in der Mitte des Stabes befindlichen Messpunkt nach entgegengesetzten Richtungen erstrecken, wobei die Wicklungsdichte in jedem Punkt der Wicklung linear proportional ist dem Abstand dieses Punktes vom Bezugspunkt. Wenn die Wicklungsdichte im Abstand s vom Bezugspunkt gleich k s gesetzt wird, wobei k eine Konstante ist, so ist die totale Anzahl der Windungen auf der Strecke zwischen dem Punkt und dem Bezugspunkt, also das Integral der Wicklungsdichte, gleich ks2.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Messvorrichtung wird folgendes bemerkt:
In zwei ausgewählten Punkten, die Abstände (s+As) bzw. (s-ds) vom Bezugspunkt haben, ist die Wicklungsdichte k(s+As) bzw. k(s-As) und die totale Anzahl der Windungen zwischen diesen Punkten und dem Bezugspunkt ist k (s+Ss) 2 bzw. k (s-/s) 2. Die totale Anzahl von Windungen im Intervall zwischen den beiden Punkten ist k (s+ls) - k(sAr)2 = 4ksds.
Es ist somit ersichtlich, dass die totale Anzahl von Windungen in einem Bereich + ds um einen Punkt im Abstand s vom Bezugspunkt linear proportional ist zu s. Wenn der Bereich t Js im Bezugspunkt zentriert ist, so ist die totale Anzahl der Windungen in diesem Bereich gleich Null; dabei ist zu beachten, dass die beiden Abschnitte der Wicklung in entgegengesetztem Sinne gewickelt sind und Windungen im Uhrzeigerdrehsinne also positiv, solche im Gegenuhrzeigerdrehsinne als negativ gezählt werden.
Wenn an die gleichmässige Wicklung 18' der Hülse eine Wechselspannung von einer konstanten Spannungsquelle angelegt wird, so hat die in der Wicklung 12 induzierte EMK eine Grösse, die der Anzahl Windungen des Stabes proportional ist, auf welche die Hülse wirkt.
Da diese Anzahl proportional ist dem Abstand zwischen dem Längsmittelpunkt des Stabes und dem Längsmittelpunkt der Hülse, ist die Grösse der induzierten EMK ebenfalls diesem Abstand proportional und gibt daher ein Mass für die relativen Lagen der Hülse und des Stabes.
Wenn der Luftspalt zwischen der gleichmässigen Wicklung 18' der Hülse und der Wicklung 12 des Stabes nicht symmetrisch ist, verändert sich der in der Wicklung 18' fliessende Magnetisierungsstrom und somit der totale Fluss in der Hülse mit der Lage der Hülse in bezug auf den Stab. Da die in der Wicklung 12 induzierte EMK diesem totalen Fluss proportional ist, wird sie zufälligen Änderungen desselben unterworfen sein und von der oben erwähnten linearen Abhängigkeit von der Lage abweichen.
Die dünne Wicklung 20' der Hülse ist vorgesehen, um die Fehlerspannung, die von diesen Abweichungen der EMK herrühren, zu beseitigen. Die Wicklung 20' ist von gleichmässiger Wicklungsdichte, so dass die in ihr durch den in der Wicklung 18'fliessenden Strom induzierte EMK proportional ist der totalen Flussverkettung mit Wicklung 18', aber unabhängig von ihrer Verteilung. Wie oben beschrieben wurde, sind das additive Netzwerk und der Rückkopplungsverstärker 33 vorgesehen, um den Strom in der Wick lung 18' zu steuern, so dass die EMK in der Wicklung 20' von konstanter Grösse ist und gleich der Bezugsspannung, die an den Klemmen 30 liegt.
Der totale Fluss in der Hülse wird daher auf einem konstanten Wert gehalten, unabhängig von den relativen Axiallagen der Hülse und des Stabes.
Wie oben gesagt, ist die in der Wicklung 20' bei Anlegen einer Wechselspannung an die Wicklung 18' induzierte EMK unabhängig von der Flussverteilung.
Die totale Anzahl der Windungen in demjenigen Teil der Stabwicklung 12, der sich innerhalb der Hülse befindet, ist linear proportional dem Abstand zwischen dem Bezugspunkt auf dem Stab und dem Bezugspunkt auf der Hülse, wobei jedoch in diesem Teil die Wicklungsdichte variiert, indem die Windungen an einem Ende zusammengedrängt sind und am anderen Ende weiter auseinander liegen. Wenn die Flussverteilung nicht symmetrisch ist in bezug auf den Längsmittelpunkt der Hülse, so werden die zusammengedrängten Windungen z. B. mehr als den für sie bestimmten Anteil des ganzen Flusses erhalten und demzufolge eine zu hohe Spannung erzeugen.
Die Wicklung 17' der Hülse ist vorgesehen, um die Fehlerspannung, die von einer unsymmetrischen Flussverteilung herrühren, zu beseitigen.
Wie oben gesagt, ist die totale Anzahl der Windungen zwischen irgendeinem Punkt der Wicklung 12 des Stabes und dem Bezugspunkt proportional dem Quadrat des Abstandes zwischen dem betrachteten Punkt und dem Bezugspunkt; das heisst, dass eine Kurve, welche die totale Anzahl der Windungen in Funktion des Abstandes vom : Bezugspunkt dar- stellt, die Form einer Parabel hat. Derjenige Teil der Wicklung 12, der innerhalb der Hülse liegt, wenn letztere auf irgendeinen Punkt des Stabes zentriert ist, wird durch einen parabolischen Bogen dargestellt.
Diesen parabolischen Bogen kann man als aus zwei Komponenten zusammengesetzt betrachten; nämlich erstens aus einer geradlinigen Komponente, und zweitens aus einer parabolischen Komponente, die im Längsmittelpunkt der Hülse zentriert ist. Die parabolische Wicklung kann demnach betrachtet werden als zwei einzelne, in Serie geschaltete Wicklungen. Die erste Wicklung, die der geradlinigen Komponente entspricht, hat eine gleichmässige Wicklungsdichte und somit ist die totale Anzahl der Windungen proportional dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt der Hülse und dem Messpunkt der Stabwicklung 12. Die zweite Wicklung ist identisch mit dem zentralen Teil der Wicklung 12.
Wenn eine Wechselspannung an die Wicklung 18' der Hülse angelegt wird, so verursacht die erste Komponente der Wicklung 12 eine EMK, die abhängt von der Anzahl der Windungen der ersten Komponente der Wicklung 12 und von dem Fluss in der Wicklung 18', aber unabhängig ist von der Flussverteilung.
Die EMK, die von der zweiten, parabolischen Komponente herrührt, ist jedoch sehr empfindlich in bezug auf die Flussverteilung, da die Windungen auf der einen Hälfte dieser Komponente im Uhrzeigerdrehsinne und auf der anderen Hälfte im Gegen uhrzeigerdrehsinne gewickelt sind.
Die Wicklung 17' der Hülse ist von ähnlicher Form wie der zentrale Teil der Stabwicklung 12 bzw. der zweiten Komponente der Wicklung 12.
Bei einer symmetrischen Längsverteilung des Flusses sind die EMK, die in der Wicklung 17' und in der zweiten, parabolischen Komponente der Wicklung 12 induziert werden, beide gleich Null. Wenn fabrikatorische Ungenauigkeiten zu einer unsymmetrischen Flussverteilung führen, werden jedoch Spannungen gleicher Grösse in den Wicklungen 17' und in der parabolischen Komponente induziert.
In der oben beschriebenen Schaltung ist der Ausgang der parabolischen Hülsenwicklung 17' mit dem Rückkopplungsverstärker 34 verbunden und die Längsverteilung des Flusses in der Hülse wird durch den Rückkopplungsverstärker eingestellt, bis die Ausgangsspannung von der parabolischen Hülsenwicklung 17' gleich Null ist; so ist die Ausgangsspannung der zweiten, parabolischen Komponente der Stabwicklung 12 auch Null und die Fehler, die durch ungleiche Flussverteilung erzeugt werden, sind eliminiert. Mit der in Fig. 6 gezeigten Anordnung der Rückkopplungsverstärker ist es nicht nötig, dass die totale Anzahl der Windungen der Hülsenwicklung 17' und die Anzahl der Windungen der parabolischen Komponenten der Stabwicklung 12 einander gleich sind.
Wenn jedoch diese Anzahlen einander gleich sind, kann der dem Rückkopplungsverstärker 34 zugeordnete Stromkreis eliminiert werden und kann die parabolische Hülsenwicklung 17' subtraktiv mit dem Ausgang der Stabwicklung 12 verbunden werden, um die Fehler zu beseitigen.
Statt dessen kann der Rückkopplungsverstärker 33 eliminiert werden und die Bezugsspannung direkt mit den Klemmen der dicken Drahtwicklung 18' der Hülse verbunden werden. Unter diesen Umständen ist - wenn die parabolische Wicklung 17' subtraktiv mit der Stabwicklung 12 in Serie geschaltet ist das Verhältnis zwischen der Spannung an den Klemmen des Stabwicklungskreises und der Spannung an den Klemmen der dünnen Drahtwicklung 20' proportional zum Abstand zwischen der Mitte der Hülse und der Mitte der Stabwicklung.
In gewissen Fällen können die wendelförmigen Wicklungen von variabler Ganghöhe ersetzt werden durch äquivalente andere Wicklungen. Zum Beispiel können Umiangsschlitze an der Aussenseite dbs Stabes und an der Innenseite der Hülse vorgesehen werden, mit Drahtwicklungen in jedem Schlitz. Die Drahtwicklungen können in Serie geschaltet sein, so dass die totale Anzahl der Windungen im Stromkreis zwischen den Enden einer Wicklung in einen Schlitz und einen zentralen Schlitz proportional ist dem Abstand zwischen dem Schlitz und dem zentralen Schlitz, und zwar sowohl für den Stab als auch für die Hülse.
Die gleichförmigen Wicklungen können in diesem Falle so vorgesehen sein, dass man gleiche Windungszahlen in äquidistante Umfangsschlitze legt und die Wicklungen miteinander verbindet.
Statt dessen können einige Wicklungen in Umfangsschlitzen und andere Wicklungen auf der Peri pherie von magnetischen Flächen angeordnet werden, wie oben beschrieben.
Die Nuten sind vorzugsweise so ausgelegt, dass jeder Gang angenähert in einer Ebene liegt, die zur gemeinsamen Längsachse des Stabes und der Hülse geneigt ist; dadurch wird bewirkt, dass die magnetische Achse jeder Spule in bezug auf die relative Bewegungsrichtung der Glieder geneigt ist.