DE1217085B

DE1217085B - Induktiver Messfuehler zur Umsetzung insbesondere linearer Bewegungen in elektrische Groessen

Info

Publication number: DE1217085B
Application number: DES53251A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Claus Kessler; Dipl-Ing Heinrich Seligmann; Rer Nat Hanns Von Stengel Dr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-04-25
Filing date: 1957-04-25
Publication date: 1966-05-18

Description

Induktiver Meßfühler zur Umsetzung insbesondere linearer Bewegungen in elektrische Größen Zur Abbildung von drehenden Bewegungen als elektrische Größen sind Drehmelder und ähnliche Einrichtungen bekannt, deren Ausgangsspannung nach Amplitude bzw. Phase von der Bewegung abgängig ist.
Um auch lineare Bewegungen in ähnlicher Weise abbilden zu können, hat man bereits induktive Meßfühler gebaut, bei denen der Maßstab aus Glas bestand. Derartige Meßfühler konnten jedoch die an sie zu stellenden Genauigkeitsanforderungen nicht erfüllen. Bei einer der wichtigsten Anwendungen, nämlich zur Koordinatensteuerung von Werkzeugmaschinen, ist wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Masehinenstahles und des Maßstabes eine Genauigkeit von einem Hundertstelmillimeter, wie sie meist verlangt wird, nicht zu erreichen. Außerdem führt die induktive Kopplung im Fühler ohne magnetische Rückschlüsse zu einem geringen Leistungspegel und damit zu einer hohen Störanfälligkeit. Auch die große Streuung wirkt sich im Sinne einer Vergrößerung des Meßfehlers aus.
Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung eines bekannten induktiven Meßfühlers, bestehend aus einer einen Meßkopf und einen Maßstab bildenden Drosselanordnung mit aufgeschnittenem Eisenkreis und in der Verschiebungsrichtung versetzten Flußpfaden, deren effektive Eisenquerschnitte sich bei der Verschiebung gegenseitig ändern, zur Erzeugung von stufenlos veränderlichen elektrischen Größen in Abhängigkeit von der momentanen Lage des relativ zu dem mit Zahnteilung versehenen ferromagnetischen Maßstab verschiebbaren, in Teilsysteme aufgeteilten Meßkopfes.
Die Erfindung besteht bei einem solchen Fühler darin, daß im Eisenkreis der Drosselanordnung mindestens zwei getrennte, voneinander unabhängige Flußpfade quer zur Verschiebungsrichtung verlaufen.
Da die magnetischen Kraftlinien in dem angegebenen Sinne in einem Eisenkreis verlaufen, ist die Streuung gering und die verfügbare Meßleistung verhältnismäßig hoch. Außerdem ist es möglich, den Fühler aus dem gleichen Material wie die zu steuernde Maschine herzustellen, so daß die Wärmeausdehnung praktisch keine Rolle mehr spielt.
Der Meßfühler besteht - wie im einzelnen noch näher erläutert werden soll - aus einem im allgemeinen ruhenden Teil, dem Maßstab, und einem bewegten Teil, dem eigentlichen Fühlerkopf. Diese Teile entsprechen dem Ständer bzw. dem Rotor eines Drehmelders. Während beim Drehmelder im Ständer wie im Rotor Wicklungen angeordnet sind, venneidet man beim Erfindungsgegenstand zweckmäßig elektrische Bauteile im Maßstab. Der Grund dafür ist, daß bei der verhältnismäßig großen Länge des Maßstabes jeweils nur ein Bruchteil der Bauelemente in Tätigkeit wäre, während über die übrigen Störungen von außen in das Meßsystem eindringen könnten. Es ist jedoch möglich, den verhältnismäßig langen Maßstab als beweglichen und den kurzen Fühlerkopf als ortsfesten Teil auszubilden.
Um die gegensinnige Veränderung des effektiven Eisenquerschnittes beider Flußpfade zu erzielen, ist an beiden Teilen des Eisenkreises an einer Berührungsfiäche eine Zahnteilung mit Rechteckprofil vorgesehen. Zahnbreite und Zahnabstand sind hierbei gleich groß. Die Zähne des einen Flußpfades des verschiebbaren Teiles sind gegen die Zähne des anderen Flußpfades, gemessen an der kontinuierlich über die Meßlänge ausgedehnten Teilung des ortsfesten Teiles, um eine Zahnbreite in Längsrichtung versetzt.
Am verschiebbaren Teil sind die beiden Flußpfade von je einer Primär- und einer Sekundärwicklullg umfaßt, wobei die Primärwieldungen gleichsinnig, die Sekundärwicklungen gegensinnig in Reihe liegen.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung seien im folgenden an Hand der schematischen Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben.
F i g. 1 zeigt einen Abschnitt des ortsfesten Teiles oder Maßstabes 1. Er wird zweckmäßig aus Werkzeugmaschinenstahl in Form von Stangenprofilen hergestellt. Es werden zunächst zwei Längsnuten 2, 3 ausgefräst, so daß ein E-Profil entsteht. In den Mittelsteg 4 wird eine Zahnteilung mit Rechteckprofil eingesägt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine 1-mm-Teilung, d.h., Zahn- und Lückenbreite betragen je 0,5 mm. In dieser Form ist der Maßstab bareits verwendbar. Es kann jedoch zum Schutz gegen riechanische Einwürkungen zweckmäßig sein, die Hohlräume mit einem Kunststoffharz oder einem anderen nichtleitenden, unmagnetischen Material zu vergießen und anschließend die Oberfläche planzuschleifen.
Statt der 1-mm-Teilung können auch beliebige andere metrische oder nichtmetrische Teilungen, insbesondere nach dem Zollsystem, vorgesehen sein.
Der Maßstab kann in Abschnitten beliebiger Länge gefertigt, an den Enden plangeschiffen und an der gesteuerten Maschine nach Art von Endmaßen zusammengesetzt und montiert werden.
F i g. 2 zeigt eine Möglichkeit zur Ausbildung des verschiebbaren Teiles oder Fühlerkopfes 5 Auch dieser Teil kann aus Stangenmaterial mit Rechteckprofil ähnlich wie der Tell 1 hergestellt werden. Beim Fühlerkopf wird die Steghöhe des E-Querschnittes größer als beim Maßstab gewählt, damit über die Mittelstücke 6, die den Fluß führen, die Wicklungen angebracht werden können. Die Mittelstücke, im Ausführungsbeispiel vier, erhalten gleichfalls eine Zahnteilung mit Rechteckproffl, die der des Maßstabes entspricht. Auch der Fühlerkopf kann vergossen und abgeschliffen werden.
Aus F i g. 3 ist das mechanische Zusammenwirken des Maßstabes mit dem Fühlerkopf ersichtlich. Die Seitenstege gleiten als Laufilächen aufeinander. Bei den Mittelstegen hat sich aus noch zu erläuternden Gründen ein Luftspalt von 0,05 mm als vorteilhaft erwiesen. Die Flußpfade entsprechen denen der bekannten M-Schnitte (vgl. F i g. 3 a), so daß eine magnetische Störbeeinflussung von außen praktisch nicht möglich ist.
In Fig. 4 ist das Schema des Zusammenwirkens der Zahnteilung dargestellt. Die einzelnen Mittelstücke 6 des Fühlerkopfes bilden mit der kontinuierlichen Zahnteilung des Maßstabes 1 insgesamt vier Teilsysteme mit je einem Flußpfad. Zwischen dem ersten und dem zweiten System sind die Zähne um eine Zahnbreite, zwischen dem zweiten und dritten um eine halbe und zwischen dem dritten und vierten wieder um eine Zahnbreite versetzt. Wenn sich die Zahnteilung im ersten System deckt, wie in der Figur dargestellt, fallen die Zähne des zweiten Systems mit den Lücken des Maßstabes zusammen. Im dritten und vierten System wird jeweils eine halbe Zahnbreite überdeckt.
Aus der F i g. 5 ist unmittelbar ersichtlich, daß bei Verschiebung der beiden Teile des Eisenkreises gegeneinander die Summe der paarweise überdeckten Zahnflächen des ersten und zweiten sowie des dritten und vierten Systems konstant bleibt, jedoch für jedes System sich die überdeckte Zahnfläche ändert, und zwar gegensinnig für die Systeme 1 und 2 bzw. die Systeme 3 und 4. Auf dieser Erscheinung beruht die Wirkungsweise des Meßfühlers nach der Erfindung.
Die Flußpfade jedes Systems sind von je einer Primärwicklung 7, 9, 11, 13 und einer Sekundärwicklung 8, 10, 12, 14 umschlossen. Die elektrische Schaltung der Wicklungen ist aus F i g. 5 ersichtlich.
Die Primärwicklungen 7 und 9 des ersten Systems und die Primärwicldungen 11 und 13 des zweiten Systems sind jeweils gleichsinnig in Reihe geschaltet.
Legt man an diese Reihenschaltungen eine Wechselspannung U, so ist ihre zulässige maximale Amplitude wegen des konstanten effektiven Eisenquerschnittes unabhängig von der Verschiebung der beiden Teile des Meßfühlers. Es ändert sich hierbei nur die Aufteilung das Flusses auf die Systeme 1 und 2 bzw. die Systeme 3 und 4. Schaltet man daher die Sekundärwicklung 8 und 10 bzw. 12 und 14 gegensinnig in Reihe, so erhält man aus der Größe der induzierten Spannung U'1,2 e bzw. U'34 ein Maß für die Elußaufteilung und damit für die Lage des Meßfühlers in bezug auf den Maßstab. In der Stellung nach Fig. 4 wird beispielsweise die Spannung voll vom System 1 bzw. je zur Hälfte von den Systemen 3 und 4 übertragen. Es entsteht also an der Reihenschaltung der Wicklungen 8 und 10 die volle Ausgangsspannung mit dem System 1 entsprechenden Vorzeichen, während die Ausgangsspannung der Reihenschalttlng der Wicklungen 1 und 14 gleich Null ist.
In F i g. 6 ist die Abhängigkeit der Wechselspannungsamplituden auf der Sekundärseite von der relativen Lage des Fühlerkopfes zum Maßstab dargestellt.
Bei den angenommenen Flächenüberdeckungsverhältnissen ergibt sich der stark ausgezogene Dreieckverlauf. Praktisch ist jedoch für die FlußaUfteilung nicht nur die Flächenüberdeckung der Zähne, sondern auch die Streuung maßgebend. Diese wirkt im Sinne einer Abänderung der Dreieckkurve in Annäherung an die Sinusform. Dies ist als Vorteil zu werten, da im allgemeinen eine sinusförmige Abhängigkeit der Spannungsamplitude vom Weg angestrebt wird. Man kann den Streueffekt nach Wunsch beliebig groß wählen, indem man, wie schon erwähnt, einen Luftspalt zwischen den Zahnteilungen vorsieht. Dieser Luftspalt wirt auch günstig auf die zeitliche Form der abgegebenen Sekundärspannung, d. h. auf deren Klirrfaktor. Wegen der nichtlinearen Eigenschaften des Materials sowie wegen derWirbelstromeffekte in den nicht geblätterten Meßfühler teilen würden sonst Verzerrungen au£treten. Eine Schichtung der einzelnen Teile ist im allgemeinen wegen der großen Länge des Maßstabes bei hohen Genauigkeitsanforderungen nicht möglich. Unter Umständen kann sie jedoch insbesondere bei kurzen Meßfühlern durchführbar sein. Ferner sind in manchen Fällen auch Ferrite verwendbar. Die Auswirkungen der Wirbelströme sind aber nicht kritisch, da sie im wesentlichen nur die primäre Stromaufnahme, nicht aber die Meßeigenschaft und das Verhalten auf der Sekundärseite beeinflussen.
Man kann die beiden Systempaare 1, 2 und 3, 4 an die gleiche Wechselspannung legen, die aus dem normalen Netz mit 50 Hz stammen kann. Es ist also im Gegensatz zum Bekannten die Anwendung höherer Frequenzen, insbesondere im Tonfrequenzbereich, nicht erforderlich. Man erhält auf der Sekundärseite ein Paar von Wechselspannungen, die sich ähnlich wie bei einem Drehmelder nach einer Sinus- bzw. Kosinuskinktion in Abhängigkeit vom Weg ändern.
Diese Eigenschaft des Meßfühlers nach der Erfindung kann dazu ausgenützt werden, ihn mit Drehmeldern oder Drehmeldesystemen zusammenzuschalten, die ein elektrisches Maß für die Abweichung des Fühlerkopfes von einer Sollage liefern. Im Interesse einer großen Meßleistung ist es zweckmäßig, den SoWvert über dieprimärwieklungen einzuführen.
Man schaltet hierzu die Primärwicldungspaare an den Sinus bzw. Kosinusausgang eines konstanterregten Drehmelders oder einer ähnlichen Einrichtung, so daß an ihnen Spannungen liegen, deren Amplitu(len von der Winkelstellung des Drelimelders nach dem Sinus bzw. Kosinus abhängen. Der Drehmelder dient hierbei als Sollwertgeber. Schaltet man nun die Sekundärwicklungspaare in Reihe, so ergeben sich für jede Zahnteilungsperiode zwei Stellungen des Fühlerkopfes, bei denen die abgegebene Summenspannung gleich Null wird. Der Fühlerkopf besitzt dann die vom Drehmelder vorgegebene Solllage oder weicht von dieser um ein Vielfaches von Halbperioden ab, was in der Regel leicht erkennbar ist.
Diese Verhältnisse sind für eine 1-mm-Teilung in Fig. 7 schematisch dargestellt. Die Spannungen u1.2 und US 4 sind die Ausgangsspannungen am Sinus-bzw. Kosinusausgang des Drehmelders, die zugleich die Eingangsspannungen der Primärwicklungspaare der Systeme 1 und 2 bzw. 3 und 4 darstellen. Die Summenspannung U'1,2,34 der in Reihe geschalteten Sekundärwicklungspaare läuft zweimal in jeder Teilungsperiode durch Null. Die Nulldurchgänge können linear mit der Winkelstellung des Sollwertgebers verschoben werden.
Zur Gewinnung eines Gleichstromsignals für eine Stellungsregelung kann man in an sich bekannter Weise eine phasenabhängige Gleichrichtung der Sekundärspannung vornehmen.
Der Meßfühler nach der Erfindung gestattet es, geringfügige Verschiebungen mit sehr hoher Genauigkeit wiederzugeben. Um größere Wege mit geringer Toleranz erfassen zu können, kann man mehrere Meßfühler verschiedener Zahnteilung in Kaskade einsetzen. Bei metrischer Teilung ist beispielsweise eine Stufung um den Faktor 10 günstig. Bei noch größeren Wegen kann man die letzte Kaskadenstufe mit einem normalen Drehmelder mechanisch kuppeln, so daß auch Wege in der Größenordnung von 1 oder 10 m erfaßbar sind. Es ist hierbei auf eine sorgfältige Ausführung der Kuppelstellen zu achten.
Es ist auch möglich, zwei Fühler mit verschiedener Zahnteilung, beispielsweise 1 mm und 1 cm zu einem einzigen Gerät zusammenzufassen. Es werden dann entsprechend viele Mittelstege vorgesehen.
Ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Doppelfühler ist in F i g. 8 schematisch dargestellt, die ohne weitere Erläuterung verständlich sein dürfte.
Der Grundgedanke der Erfindung läßt noch verschiedenartige Abwandlungen zu. Beispielsweise kann der Meßfühler statt mit E-Profilen auch mit C- oder anderen Profilen ausgerüstet sein. Maßstab und eventuell Fühlerkopf können ferner auch mit horizontalen und/oder vertikalen Krümmungen versehen sein, um kompliziertere Bewegungen erfassen zu können. Hierbei wird man sich nach der jeweils gegebenen Aufgabe richten. Der Meßfühler nach der Erfindung kann nicht nur für die Koordinatensteuerung von Werkzeugmaschinen, sondern auch für Textilmaschinen, für die Wegmessung in Schweißmaschinen, für die Walzenanstellung in Walzwerken und ähnliche Zwecke verwendet werden, bei denen es auf eine sehr genaue Messung und Abbildung eines Weges ankommt. Auch kann die Abhängigkeit der Amplitude der Ausgangsspannung vom Weg durch entsprechende Ausbildung des Eisenkreises in weiten Grenzen nach Wunsch beeinflußt werden.
Patentansprüche: 1. Induktiver Meßfühler, bestehend aus einer einen Meßkopf und einen Maßstab bildenden Drosselanordnung mit aufgeschnittenem Eisenkreis und in der Merschiebungsrichtung versetzten mußpfaden, deren effektive Eisenquerschnitte sich bei der Verschiebung gegenseitig ändern können, zur Erzeugung von stufenlos veränderlichen elektrischen Größen in Abhängigkeit von der momentanen Lage des relativ zu dem mit Zahnteilung versehenen ferromagnetischen Maßstab verschiebbaren, in Teilsysteme aufgeteilten Meßkopfes, cadurch gekennzeichnet, daß im Eisenkreis der Drosselanordnung mindestens zwei getrennte, voneinander unabhängige Flußpfade quer zur Verschiebungsrichtung verlaufen.

Claims

2. Induktiver Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile des Eisenkreises (15) an einer Berührungsfiäche eine Zahnteilung mit Rechteckprofil besitzen und die Zähne des einen Flußpfades des verschiebbaren Teiles (5) gegen die Zähne des anderen Flußpfades, gemessen an der kontinuierlich über die Meßlänge ausgedehnten Zahnteilung des ortsfesten Teiles (1), um eine Zahnbreite in Längsrichtung versetzt sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußpfade von je einer Primärwicklung (7, 9, dz, 13) und je einer Sekundärwicklung (8,10 12, 14) umfaßt sind, wobei die Primärwicklungen gleichsinnig, die Sekundärwicklungen gegensinnig in Reihe geschaltet sind.

4. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare Teil (5) ein Mehrfaches von zwei Flußpfade besitzt.

5. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile (1, 5) E-Profile aufweisen.

6. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (1, 5), mit einem nichtleitenden, unmagnetischen Material vergossen und an der Oberfläche geschliffen sind.

7. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der Zähne ein Luftspalt in den Flußpfaden vorgesehen ist.

8. Meßfühler nacli den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fühler in Kaskade verwendet sind.

9. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei großen Wegen als Endglieder der Kaskade normale Drehmelder dienen.

10. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fiihler verschiedener Zahnteilung zu einem Gerät zusammengefaßt sind.

11. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Teil (1) in Abschnittslängen hergestellt und an den Enden plangeschliffen ist, so daß mehrere Abschnitte nach Art von Endmaßen zusammensetzbar sind.

12. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 11, für die Steuerung einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenteile aus einem gleichartigen Material wie die Maschine bestehen.

13. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drosselanordnungen vorgesehen sind, deren Primärwicklungspaare jeweils an den Smus- bzw. Kosinusausgang eines als Sollwertgeber dienenden Drehmelders -angeschlossen sind, während die Sekundärwicklungspaare in Reihe geschaltet sind und in der vom Drehmelder bestimmten Sollstellung keine Spannung abgeben.

14. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Fühlers phasenabhängig gleichgerichtet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 872643, 908 921, 911664, 1023945; schweizerische Patentschriften Nr. 251 911, 298 041; französische Patentschrift Nr. 1 144 353.