DE1262621B - Elektromechanische Einrichtung zur Feststellung der momentanen Relativlage zweier gegeneinander verschiebbarer Maschinenteile - Google Patents

Description

• Elektromechanische Einrichtung zur Feststellung der momentanen Relativlage zweier gegeneinander verschiebbarer Maschinenteile Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Einrichtung zur Feststellung der momentanen Relativlage zweier gegeneinander verschiebbarer Maschinenteile, nämlich zwischen einem Meßstab aus remanent magnetischem Material, der in regelmäßigen Einheitsabständen abwechslungsweise als Nordpol und als Südpol magnetisiert ist, und einer Abtastvorrichtung, die eine dauernd umlaufende Schnecke aus magnetisch leitendem Material mit dem Einheitsabstand des Meßstabes entsprechender Steigung und einen mit einer Aufnahmespule bewickelten magnetischen Rückführungskreis für den vom Meßstab durch die Schnecke abgenommenen Magnetfluß enthält. Die dabei in der Spule induzierte Wechselspannung, deren Phasenlage sich abhängig von der Relativlage der Abtastvorrichtung zum Meßstab ändert, wird mit einer Referenzwechselspannung fester Phasenlage verglichen.
• Eine derartige Einrichtung ist z. B. in der französischen Patentschrift 1074 892 beschrieben. Diese Einrichtung hat jedoch den Nachteil, daß zwei Luftspalte zwischen beweglichen und feststehenden Teilen des Magnetweges vorhanden sind, die senkrecht zueinander stehen. Die Ausrichtung der mechanischen Elemente gegeneinander ist deshalb sehr schwierig und für hohe Genauigkeiten nur unter großem Aufwand zu erreichen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromechanische Meßeinrichtung vorzuschlagen, bei der diese Einstellprobleme auf ein Mindestmaß reduziert werden.
• Eine elektromechanische Einrichtung der angegebenen Art ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Schnecke als Doppelschnecke ausgebildet ist, deren Mantel aus magnetisch leitendem Material in der Längsmitte durch einen Ring aus magnetisch nicht leitendem Material in zwei Teile aufgeteilt ist, die je an den äußeren Umfangsflächen mit steigungsgleichen, gegeneinander um eine halbe Steigung versetzten Schneckengängen versehen sind, und daß ein magnetisch leitendes Verbindungsjoch die beiden Schnekkenteile magnetisch miteinander verbindet und mit der Aufnahmespule bewickelt ist.
• Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der Eintritts- und Austrittsluftspalt der Meßschnecke in der gleichen Richtung, d. h. in Achsrichtung der Schnecke, verlaufen. Bei dieser Anordnung ist eine Ausrichtung der den Luftspalt bestimmenden Teile (Meßstab und Meßschnecke) auf einfache Weise möglich. Es genügt hierbei, wenn die Drehachse der Schnecke über den gesamten Bewegungsweg des Meßstabes mit der Achse der magnetisierten Zylinderflächen des Meßstabes identisch ist.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmespule im Innern der Doppelschnecke auf einen axialen Stabkern gewikkelt ist, der durch Abschlußdeckel aus magnetisch leitendem Material mit den beiden Schneckenhälften verbunden ist. Diese Anordnung läßt einen raumsparenden Aufbau ohne weitere Luftspalte zu.
• Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmespule auf einem U-förmigen Joch angeordnet ist, daß die in einer Ebene liegenden, glatten Polflächen des Joches parallel zu den beiden Teilschnecken auf der dem Meßstab gegenüberliegenden Seite angeordnet sind und sich etwa über die gesamte Axiallänge der beiden Teilschnecken erstrecken. Diese Konstruktion hat gegenüber der vorhergehenden den Vorteil, daß die Anschlüsse der Aufnahmespule nicht über Schleifringe angeschlossen zu werden brauchen.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwechselspannung durch eine zusätzliche Abtasteinrichtung erzeugt wird, die auf einer auf der Drehachse der Doppelschnecke vorgesehenen weiteren Schnecke aus magnetisch leitendem Material mit gleicher Steigung, aber kleinerem Außendurchmesser besteht und mit einem stillstehenden, sonst wie der bewegliche Meßstab ausgebildeten Referenzmaßstab gekoppelt ist. Hierdurch wird eine frequenzgleiche Referenzspannung erzeugt, deren Phasenlage absolut konstant ist. Bei bekanntem Einrichtungen wurde nämlich die Steuerspannung des die Schnecke antreibenden Synchronmotors als Referenzspannung benutzt, wobei je nach der Belastung veränderliche Winkelabweichungen zwischen der effektiven Schnekkenstellung und der Steuerspannung des Synchronmotors als Meßfehler eingingen. Derartige Meßfehler werden bei der vorliegenden, vorteilhaften Ausführungsform vermieden.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Gesamtübersicht einer Meßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, F i g. 2 einen Ausschnitt in vergrößertem Maßstab aus der Doppelschnecke der Einrichtung nach F i g. 1, F i g. 3 einen Querschnitt durch eine an sich bekannte Einrichtung, die im vorliegenden Fall zum Erzeugen der Referenzwechselspannung benutzt wird, und F i g. 4. eine Variante eines Teils der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.
• In den F i g. 1 und 2 besteht ein Meßstab 1 aus keramisch gesintertem Eisenoxydmaterial und ist auf einem Träger 1' aufmontiert. Der Träger 1' ist in einem Maschinenbett 2 längsverschiebbar geführt. Eine von einem Servomotor 3 angetriebene Leitspindel. 4 greift in eine Gewindelängsbohrung des Träger 1' ein, so daß der Meßstab je nach dem Drehsinn der Spindel vorwärts oder rückwärts verschoben wird.
• Der Meßstab hat einen etwa rechteckigen Querschnitt, wobei seine Oberseite als Hohlzylinderfläche mit einer parallel zur Verschiebungsrichtung orientierten Achse geschliffen ist, wie das für den gleich ausgebildeten, aber stillstehenden Referenzmeßstab 100 von F i g. 3 dargestellt ist. Die genannte geschliffene Hohlzylinderfläche ist mit einer Schicht 10 bzw. 110 vorbestimmter Dicke aus Epoxy-Gießharz mit darin dispers verteiltem Magneteisenpulver als magnetisch polarisierbare Schicht belegt, die in regelmäßigen Einheitsabständen, beispielsweise 2 oder 5 mm, abwechslungsweise als Südpol und als Nord- ; pol polarisiert ist. Es sind der Anschaulichkeit wegen die als Nordpole magnetisierten Bezirke dieser Schicht 10 schraffiert gezeichnet, während die dazwischenliegenden Südpolbezirke weiß ausgespart sind (s. auch F i g. 2).
• In. der Erzeugungsachse der genannten durch die Oberfläche der Schicht 10 bzw. 110 (F i g. 3) gebildeten Hohlzylinder-Schlifffläche liegt die Drehachse A-A einer drehbar gelagerten Welle 5, die von einem wechselspannungsgespeisten Synchronmotor 6 mit konstanter Drehzahl angetrieben wird. Auf der Welle 5 sitzt als Abtastorgan eine Doppelschnecke 7. Sie umfaßt einen axial angeordneten Stabkern 70, der mit einer Zylinderspule 71 bewickelt ist, deren Wicklungsenden an zwei Schleifringen 71a, 71b auf der Welle 5 angeschlossen sind. Die Stirnenden des Stabkernes 70 sind beidseitig über zwei Abschlußdecke172, 73 aus ebenfalls magnetisch leitfähigem hochpermeablem, keramisch gesintertem Eisenoxydmaterial an zwei koaxiale Zylindermantelteile 74, 75 aus gleichem Material angeschlossen. Die Außenflächen dieser Zylindermantelteile sind als Schnecken ausgebildet, deren Steigung dem Einheitsabstand der Nordpole bzw. Südpole des Meßstabes entspricht. Dabei sind die Schneckengänge des Schneckenteiles 74 gegenüber den Schneckengängen der Schneckenteile 75 um das halbe Steigungsmaß versetzt. In der Lage nach F i g. 1 liegen z. B. den Nordpolen des Meßstabes 1 je eine vorstehende Schneckenrippe des Schneckenteiles 74 gegenüber, während die vorstehenden Schneckenrippen des Schneckenteiles 75 je einem Südpol des Meßstabes 1 gegenüberliegen. Die beiden Schneckenteile 74 und 75 sind voneinander durch einen längsmittig angeordneten Ring 76 aus magnetisch nicht leitfähigem Material, beispielsweise Messing, getrennt. Wenn also angenommen wird, daß der magnetische Fluß von den Südpolen zu den Nordpolen fließt, so wird durch den Schneckenteil 75 der Fluß aus den Südpolen der Schicht 10 abgenommen, fließt durch den Abschlußdeckel75 zum Stabkem 71 und von dort durch den Abschlußdeckel 72 und den Schneckenteil 74 in die Nordpole der Schicht 10 zurück, um sich im Körper des Meßstabes 1 zu schließen. Wenn bei relativ zur Abtastvorrichtung stillstehendem Meßstab die Doppelschnecke 7 um die Achse A-A mit konstanter Drehzahl gedreht wird, so wird in der Spule 71, d. h. an den Schleifringen 71a, 71b, eine Meßwechselspannung konstanter Amplitude und Frequenz induziert. Bei einer Längsverschiebung des Meßstabes 1 ändern sich die Phasenlagen dieser Meßwechselspannung in eindeutiger, stetiger und linearer Funktion der Längsverschiebung.
• Auf der Welle 5 sitzt außerdem eine einfache Schnecke 8 aus magnetischem leitfähigem Material, deren Außendurchmesser kleiner ist als derjenige der Doppelschnecke 7, deren Steigungsmaß aber gleich ist.
• Sie arbeitet nach der in F i g. 2 schematisch,- in F i g. 3 konstruktiv richtig gezeichneten Weise mit einem Referenzmeßstab 100 zusammen, dessen Hohlzylinderfläche in gleicher Weise wie der Meßstab 1 mit einer magnetisch abwechslungsweise als Nordpol und als Südpol polarisierten Schicht 110 belegt ist. Dieser Referenzmeßstab 100 ist aber an feststehenden Maschinenteilen 20 unbeweglich montiert. Ein mit einer Referenzspule 81 bewickeltes Rückführungsjoch 80 leitet den magnetischen Fluß, der durch die Schnecke aus dem Referenzmeßstab 100 abgenommen wird, in den Meßstab 100 zurück. Es wird also an den Enden der Referenzspule 81 eine Referenzwechselspannung Ur konstanter Amplitude und gleicher Frequenz wie die Meßwechselspannung Ur induziert, deren Phasenlage aber unverändert bleibt, wie sich auch der Meßstab 1 bewegen mag.
• Ein programmatisch steuerbares Phasenschieberglied P, symbolisch dargestellt durch einen Impedanzkreis mit fester Kapazität Cp und durch Drehung der Spindel 50 verstellbarem Widerstand Rp, erzeugt eine programmatisch zu Ur phasenverschobene Wechselspannung Up, die einem Phasenvergleicher D zugeführt wird, der vier Transistoren T1, T2, T3, T4 umfaßt, die durch die Meßwechselspannung Um so beeinflußt werden, daß eine Steuergleichspannung 'Us- entsteht, deren Vorzeichen und Größe dem momentanen Vorzeichen und Wert der Phasendifferenz zwischen der Meßwechselspannung Um und der programmatisch phasenverschobenen Wechselspannung Up entspricht. Diese Steuergleichspannung steuert über einen Gleichstromverstärker V den Servomotor 3 so, daß sich die Spindel 4 dreht und damit den Meßstab 1 verschiebt, bis die Steuerspannung Pis, d. h. die Phasendifferenz der Spannung Um und Up, den Wert Null erreicht hat. Durch die programmatische Beeinflussung des Phasenschiebers P wird also automatisch der Meßstab 1 entsprechend mitverstellt, d. h., es kann auf diese Weise ein Maschinenteil programmatisch positioniert werden, wobei Einstellgenauigkeiten bis zu -f- 1 #t erreicht werden können.
• Bei der Variante nach F i g. 4 ist der Doppelschnecke mit den Teilen 174, 175 sowie dem Trennring 1.76 als Verbindungsjoch ein äußeres Joch 170 zugeordnet, das mit einer Spule 171 bewickelt ist. Die Wirkungsweise der Doppelschnecke nach F i g. 4 entspricht vollständig der Ausführung nach F i g. 1 und 2.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Elektromechanische Einrichtung zur Feststellung der momentanen Relativlage zweier gegeneinander verschiebbarer Maschinenteile, nämlich zwischen einem Meßstab aus remanent magnetischem Material, der in regelmäßigen Einheitsabständen abwechslungsweise als Nordpol und als Südpol magnetisiert ist, und einer Abtastvorrichtung, die eine dauernd umlaufende Schnecke aus magnetisch leitendem Material mit dem Einheitsabstand des Meßstabes entsprechender Steigung und einen mit einer Aufnahmespule bewickelten magnetischen Rückführungskreis für den vom Meßstab durch die Schnecke abgenommenen Magnetfluß enthält, in welcher Spule eine Wechselspannung induziert wird, deren Phasenlage sich abhängig von der Relativlage der Abtastvorrichtung zum Meßstab ändert und mit einer Referenzwechselspannung fester Phasenlage verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Schnecke als Doppelschnecke (7) ausgebildet ist, deren Mantel aus magnetisch leitendem Material in der Längsmitte durch einen Ring (76) aus magnetisch nicht leitendem Material in zwei Teile (74, 75) aufgeteilt ist, die je an den äußeren Umfangsflächen mit steigungsgleichen, gegeneinander um eine halbe Steigung versetzten Schneckengängen versehen sind, und daß ein magnetisch leitendes Verbindungsjoch (70, 170) die beiden Schneckenteile magnetisch miteinander verbindet und mit der Aufnahmespule (71, 171) bewickelt ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmespule (71) im Innern der Doppelschnecke (7) auf einen axialen Stabkern (70) gewickelt ist, der durch Abschlußdeckel (73, 72) aus magnetisch leitendem Material mit den beiden Schneckenhälften (74, 75) verbunden ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmespule (171) auf einem U-förmigen Joch (170) angeordnet ist, daß die in einer Ebene liegenden, glatten Polflächen des Joches parallel zu den beiden Teilschnecken (174, 175) auf der dem Maßstab (1) gegenüberliegenden Seite angeordnet sind und sich etwa über die gesamte Axiallänge der beiden Teilschnecken (174, 175) erstrecken.
4. 4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwechselspannung (Ur) durch eine zusätzliche Abtasteinrichtung (80, 81) erzeugt wird, die aus einer auf der Drehachse (5) der Doppelschnecke (7) vorgesehenen weiteren Schnecke (8) aus magnetisch leitendem Material mit gleicher Steigung, aber kleinerem Außendurchmesser besteht und mit einem stillstehenden, sonst wie der bewegliche Meßstab (1) ausgebildeten Referenzmeßstab (100) gekoppelt ist.
5. 5. Einrichtung nach einem oder mehreren der der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstabkörper (1, 100) aus keramisch gesintertem Eisenoxydmaterial gefertigt sind, das auf der koaxial zur Abtastschnecke geschliffenen Längszylinderfläche mit einer Schicht (10, 110) von Gießharz und darin dispers verteiltem remanenzfähigem Magneteis:enpulver belegt ist.
6. 6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch leitenden Teile der Abtastorgane aus keramisch gesintertem Eisenoxydmaterial gefertigt sind.
7. 7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen programmatisch steuerbaren Phasenschieber (P), der dazu bestimmt und ausgebildet ist, die Phasenlage der Referenzwechselspannung (Ur) entsprechend einem wählbaren Steuerprogramm zu verschieben, einen Phasenvergleicher (D), der dazu bestimmt und ausgebildet ist, eine Steuerspannung (Us) für einen die Verstellbewegungen des Meßstabes (1) beherrschenden Servomotor (3) zu erzeugen, die in Vorzeichen und Größe der momentanen Phasendifferenz zwischen der vom Abtastorgan abgenommenen Meßwechselspannung (Um) und der programmatisch phasenverschobenen Referenzwechselspannung (Up) entspricht, derart, daß der Servomotor (3) den Meßstab (1) stets so bewegt, daß die genannte Phasendifferenz sich dem Wert Null nähert. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 872 643, 943 907, 11.63 562, 1163 563; Feinwerktechnik (1958), Juli, 62. Jahrgang, S. 227 bis 232.