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Kapazitives Weg- und Winkelmeßsystem Die Erfindung betrifft ein kapazitives
Weg- und Winkel meßsystem, welches in Verbindung mit Meßgeräten oder Werkzeugmaschinen
zur Ermittlung oder Einstellung von Längen- oder Winkelwerten und zur Positionierung
verwendet werden kann.
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Bekannte kapazitive Weg- und Winkelmeßsysteme bestehen aus einem
Maßstabsgrundkörper, der z. B. an der Werkzeugmaschine fest angebracht ist und einer
darüber in dem beweglichen Teil der Werkzeugmaschine oder des Meßgerätes angeordneten
Abtastplatte. Maßstabsgrundkörper und Abtastplatte besitzen an den einander zugekenrten
Oberflächen rechteckförmige parallele Elektroden gleicher Dicke und Breite, wobei
diese Elektroden quer zur Verschiebungarichtung der Abtastplatte verlaufen. Diese
Elektroden des Maßstabßgrundkdrpers und der Abtastplatte sind in zwei elektrisch
voneinander isolierten Gruppen angeordnet und greifen kammartig ineinander. An die
Gruppen des Grundkörpers werden Wechselspannungen so angelegt, daß die Wechsel spannung
einer Gruppe gegenüber derjenigen der anderen Gruppe um 1800 phasenverschoben ist.
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Die Wirkungsweise der bekannten Meßsysteme besteht darin, daß an
der Abtastplatte Spannungssignale abgenommen werden, deren Amplitude von der jeweiligen
Stellung der Abtastplatte zum Maßstabsgrundkbrper infolge der veränderlichen Kapazität
zwischen Maßstabsgrundkörper und Abtastplatte abhängt. Diese Spannungs signale werden
mit bekannten elektronischen Mitteln ausgewertet bzw. zur Positionierung an Werkzeugmaschinen
benutzt.
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Diese bekannten Meßsysteme besitzen den Nachteil, daß die Phasenverschiebung
der Spannung der Abtastplatte sehr leicht durch Verschmutzungen und Unregelmäßigkeiten
in der Elektrodenanordnung sowie durch Stoßstellen bei zusammengesetzten Maßstäben
beeinflußt wird. Außerdem tritt bei diesen Meßsystemen ein zu Meßfehlern führender
hoher Oberwellenanteil in den zur Auswertung gelangenden Signalen auf. Weiterhin
sind diese Meßsysteme sehr empfindlich gegen Abstandsänderungen zwischen Maßstabsgrundkdrper
und Abtastplatte.
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Es ist deshalb Zweck der Erfindung, ein kapazitives Weg-und Winkelmeßsystem
zu schaffen, bei welchem diese Nachteile beseitigt sind, und welches zuverlässig
auch im Werkstattsbetrieb funktioniert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kapazitives Weg- und
Winkelmeßsystem insbesondere für Werkzeug und Meßmaschinen zu schaffen, bei welchem
durch eine entsprechende Anordnung der Elektroden auf einen Maßstabsgrundkörper
und einer Abtastplatte eine Beeinflussung des Meßvorganges durch äußere Einflüsse
oder Unregelmäßigkeiten in der Elektrodenanordnung weitestgehend ausgeschlossen
ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe der Erfindung bei einem kapazitiven
Weg- und Winkelmeßsystem, welches einen Maßstabsgrundkörper und eine Abtastplatte
umfaßt, auf denen vorzugsweise parallele, rechteckförmige Elektroden gleicher Dicke
und Breite in elektrisch voneinander isoliert vorgesehenen Gruppen angeordnet sind,
dadurch gelöst, daß die Abstände in Längsrichtung des Maßstabes der Mittellinie
einer Abtastelektrode
der Abtastplatte von der Mittellinie der
ihr rechts benachbarten Abtastelektrode der Abtastplatte und der Abstand der Mittellinie
der ersteren Abtastelektrode der Abtastplatte zu der ihr links benachbarten Abtastelektrode
der Abtastplatte ungleich sind und der kleinere dieser Abstände vorzugsweise das
(n + fache der Gitterkonstante (d + a) des abzutastenden Maßstabsgrundkörpers beträgt,
worin n eine natürliche Zahl ist, und die Abtastelektroden der Abtastplatte, die
nicht unmittelbar benachbart sind, zwischen denen aber nicht mehr als eine Abtastelektrode
der Abtastplatte liegt, leitend miteinander verbunden sind und der Abstand der (2
n + 1)-ten Abtastelektrode von der (2 ,n 1- 2 i 1+1)-ten Abtastelektrode der Abtastplatte
das (2# -1m + 1/2-1)- oder das (29 1m ^ oder das 2 m-fache der Gitterkonstante (d
+ a) des abzutastenden Maßstabes ist, wobei 9 , p, m und n natürliche und # = 2
sind.
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Besonders vorteilhaft für die Zuführung und Abnahme der Spannungen
für die Elektroden ist es, wenn'der leitende, die Elektroden einer Gruppe verbindende
Metallbelag auf den Seitenflächen des Maßstabsgrundkörpers und der Abtastplatte
angeordnet ist.
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Vorteilhaft im Bezug auf die Beseitigung von Meßfehlern ist es, wenn
für die Winkel ) die Beziehung tan # = n/m # a+d/L worin m und n natürliche Zahlen,
a die Breite und L die Länge der Elektroden des Maßstabsgrundko"rpers und Y der
Winkel, der zwischen den Elektroden des Grundkdrpers und den Abtastelektroden
der
Abtastplatte gebildet wird, sind, und daß das Verhältnis von der Breite a zur Gitteronstante
(d + a) des Maßstabskörpers ungefähr 1 oder n' und die Breite des Maßstabsm' grundkörpers
kleiner ist als die Länge L' der Abtastelektroden der Abtastplatte, worin n' und
m' natürliche Zahlen sind.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Breite a' der Abtastelektroden
der Abtastplatte a' = Es a beträgt, worin n' und m' natürliche Zahlen, und a die
Breite der Elektroden des Maßstabsgrundkörpers sind.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, daß für die Winkels die Beziehungen
tan # = 2 d+a bei a # 1 und a' = a 3 L d+a tan # = 1 d+a bei a = 2 und a' = 1 a
3 L a+d 3 2 gelten, worin a die Breite und L die Länge der Elektroden des Naßtabegrundkdrpers,
d der Abstand der benachbarten Elektroden des Maßstabsgrundkd.rpers und a' die Breite
der Abtastelektroden der Abtastplatte sind.
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Zur Beseitigung von Koppeliapazitäten sind die Elektroden des Maßstabsgrundkörpers
und/oder die Abtastelektroden der Ab.
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tastplatte durch einen Metallbelag zwischen den Elektroden gegeneinander
abgeschirmt.
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Eine besonders günstige Ausführungsform ergibt ich, wenn zu den Gruppen
der Abtastelektroden weitere Gruppen von Elektroden auf der Abtastplatte vorgesehen
sind, die zu den ersteren Gruppen spiegel symmetrisch sind.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, die die Elektroden verbirdenden Metallbeläge
des MasJstabsgrundkHrpers und der Abtast platte elektrisch durch vorzugsweise parallel
zu den Metall belägen verAaufende Metallstege zur ßeseitigmg von Koppelkapazitäten
abzuschirmen.
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Ljas erfindungsgemäße Meßsystem hat den Vorteil, daß es gegen Abstandsänderungen
zwischen dem Maßstabsgrundkörper und der Abtastplatte weitestgehend unempfindlich
ist. Durch das Nichtvorhandensein von Oberwellenanteilen in den gewonnenen Signalen
werden erhebliche Mittel bei der nachgeschalteten elektronischen Einrichtung eingespart,
da die Oberwellenanteile kompensierende Schaltungen in Fortfall kommen. Besonders
vorteilhaft ist weiterhin, daß dieses Meßsystem gegen Unregelmäßigkeiten in der
Elektrodenanordnung sowie gegen Verschmutzungen unempfindlich ist. Dadurch daß sich
bei zusammengesetzten Maßstabsgrundkörpern die Stoßstellen nicht auf die Meßergebnisse
störend auswirken, ist es möglich, insbesondere sehr große Längen zu messen.
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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig, 1 ein Meßsystem für Längen mit
Maßstabsgrundkörper und Abtastplatte, Fig. 2 ein Teil des Maßstabsgrundkörpers,
Fig. 3 die Elektrooonanordnung der Abtastplatte, Fig, 4 eine weitere Anordnung der
Elektroden der Ab.
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tastplatte,
ig. 5 die Elektrodenanordnung von Grundkörper
und Abtastplatte, bei schrägverlaufenden Abtastelektroden, Fig. b die Elektrodenanordnung
von Grundkdrper und Abtastplatte, bei parallelverlaufenden Abtaster elektroden,
Fig. z eine symmetrische Elektrodenanordnung der Abtastplatte, Fig. 8 eine Maßstabsplatte
für ein Winkelmeßsystem, Fig, 9 eine Abtastplatte für ein Winkelmeßsystem und Fig.
10 einen Maßstabsgrundkörper mit abgeschkmten Metallbelägen.
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Das kapazitive Meßsystem zur digitalen Wegmessung umfaßt, wie in
Fig. 1 dargestellt ist, einen Maßstabsgrundkörper 20, auf dem zwei Gruppen von Elektroden
21 und 22 aufgebracht sind. Diese beiden Gruppen sind elektrisch voneinander isoliert,
wobei die einzelnen Elektroden einer jeden Gruppe durch einen vorzugsweise auf der
Seitenfläche des Maßstabsgrundkrpers 20 angeordneten Metallbelag 23 und 24 elektrisch
verbunden sind, Die Elektroden 21 und 22 haben eine gleichmäßige Breite a und einen
regelmaßigen Abstand d voneinander (Fig. 2) und verlaufen parallel sueinander und
vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung des Maßstabsgrundkörpers 20, Diesen beiden
Elektrodengruppen werden über Anschlüsse 25 und 26 Wechsel Spannungen zugeführt,
wobei die Wechselspannung an der einen Gruppe gegen Uber der Wechselspannung an
der anderen Gruppe im 1800 phasenverschoben ist.
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Uber dem Maßstabsgrundkörper 20 ist eine Abtastplatte 27, die vorzugsweise
an einem Schlitten oder Meßtisch einer Werkzeugmaschine oder eines Meßgerätes angeordnet
ist, vorgesehen, welche ebenfalls Gruppen von Abtastelektroden 28 und 29 besitzt,
welche voneinander isoliert sind, wobei die Abtastelektroden einer jeden der beiden
Gruppen durch Metallbeläge 30 und 31, entsprechend Fig. 3, leitend verbunden sind.
Zur besseren Kontaktierung sind die Metallbeläge 30 und 31 auf den Seitenflächen
der Abtastplatte 27 angeordnet.
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Wie auch die Elektroden 21 und 22 der beiden Gruppen des Maßstabsgrundkörpers
20, so greifer die .4btastelektroden 28 und 29 der Gruppen der Abtastplatte 27 kammartig
ineinander. Diese Elektroden der Abtastplatte 27 sind in Fig. 3 fortlaufend mit
den Ziffern 1 bis 16 numeriert und die Abstände der Mittellinien der Elektroden
1 bis 16 mitRZ bezeichnet, wobei die Indizes auf die jeweiligen Elektroden hinweisen.
Dabei sind der Abstand der Mittellinie einer Abtastelektrode von der Mittellinie
einer rechts benachbarten Abtastelektrode und der Abstand der Mittellinie der ersten
Abtastelektrode von der Mittellinie einer links benachbarten Abtastelektrode ungleich,
wobei der kleinere dieser beiden Abstände vorzugsweise das (n + 1 )-fache der Gitterkonstante
(d + a) der abzutastenden Elektroden des Maßstabsgrundkörpers 20 beträgt, worin
n eine natürliche Zahl ist. Verlaufen die Abtastelektroden 28 und 29 der Abtastplatte
27, wie in Fig. V gezeigt, unter einem bestimmten Winkel Y zu den Elektroden 21
und 22 des Maßstabsgrundkörpers, so gilt für den
genannten kleineren
Abstand die Beziehung, L µ# = (2n + 1/2) . (d + a) mit n a+d tan # = m # L worin
n und m natürliche Zahlen, d + a die Gitterkonstante und L die Länge der Elektroden
21 und 22 des Maßstabsgrundkörpers 20 sind. In Fig. 5 ist nur ein Teil der Abtastelektroden
dargestellt. Bei 't = 0 ergibt sich die in Fig. 6 dargestellte Anordnung, bei welcher
die Elektroden des Maßstabsgrundkörpers 20 und die der Abtastplatte 27 parallel
verlaufen. Die Abtastelektroden der Abtastplatte 27, die nicht unmittelbar benachbart
sind, zwischen denen aber nicht mehr als eine Abtastelektrode liegt, sind leitend
miteinander verbunden, und der Abstand der (2# n + 1)-ten Abtastelektrode von der
(2# n + 2#-1+ 1)-ten Abtastelektrode der Abtastplatte beträgt das (2#-1m + 1/2µ-1
)- oder das (2# -1m - 1 )- oder das (2 1m)-fache der Gitterkonstante 2µ-1 (d + a)
der Elektroden des Maßstabsgrundkörpers 20. Hierin sind µ, @ , m und n natürliche
Zahlen mit = 2 und n '= O.
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Bei einer weitereh Anordnung der Abtastelektroden auf der Abtastplatte
gemäß Fig, 4 sind vier Anschlüsse für die Spannungen u1; u2; u3 und u4 vorhanden.
An ihnen werden Spannungen abgenommen, deren Amplitude von der relativen Stellung
der Abtastplatte 27 zum Maßstabsgrundkörper 20 auf Grund der veränderlichen Kapazität
zwischen den Elektroden 21 und 22 des Maßstabsgrundkörpers 20 und den Abtastelektroden
28 und 29 der Abtastplatte 27 abhängig ist und die zueinander um annähernd 900 phasenverschoben
sind. Diese Spannungen werden
mit an sich bekannten elektronischen
Mitteln ausgewertet und zur Positionierung von Teilen bzw zur Messung von Längen
benutzt. Es gelten für die Spannungen folgende allgemeine Beziehungen U1 = U 8inX
t (A1 sin # x + A3 sin # 3x + ...) (d+a) (d+a) u2 X u u3 = U sinw t (A1 cos #/(d+a)
x +A3 cos w 3X + ...) U4 = -u3, worin alle Glieder mit A3; A5; Oberwellenanteile
sind, die mit den erfindungsgemäßen Meßsystemen beseitigt werden.
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Um jedoch eine 900.Phasenv'erschiebung der obigen Spannungen zu erzielen,
muß außerdem der Einfluß der zwischen den Abtastelektroden der Abtastplatte 27 vorhandenen
geringen Koppelkapazität beseitigt werden. Dieser Einfluß kann z. B. durch bekannte
Phasenschieber oder durch eine symmetrische Anordnung der Abtastelektroden beseitigt
werden. Die fn Fig, 7 dargestellte symmetrische Anordnung der Abtastelektroden ist
durch eine Spiegelung der links von der Linie S1 angeordneten Abtastelektrodengruppen
32; 33 an dieser Linie S1 und durch nochmalige Spiegelung an der Linie S2 zu verwirklichen.
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Eine Möglichkeit, insbesondere den Einfluß der Abtastelektroden der
Abtastplatte aufeinander zu beseitigen, besteht darin, daß zwischen diesen Abtastelektroden
zusammenhängende leitende Metallstege auf der Abtastplatte aufgebracht sind, die
zu den Elektroden durch einen geringen Zwischenraum isoliert sind und auf Erdpotential
gelegt sind
Die obenerwähnten Oberwellenanteile in den an der Abt
ist platte 27 abgenommenen Spannungen u1; u2; U3; u4, welche an den Anschlilesen
34; 35; 36; 37, gemäß der Anordnung in Fig. 7, abgenommen werden, sind z. B, bis
zu ihrer 7. Ordnung einschließlich ihrer ganzzahligen Vielfache bei insgesamt 16
Elektroden, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, fUr die in Fig. 7 angeordneten Abtastelektrodengruppen
32 und 33 und bei einer entsprechenden Wahl der in Fig. 3 angegebenen Abstände L#
Z der Abtastelektroden beseitigt. Eine Verminderung der Oberwellenanteile ist weiterhin
durch geeignete Wahl des Winkels (ig. 5) sowie der Verhältnis.e a/d+a bzw. a'/d+a
erzielen, worin a die Breite der Elektroden des Xaßstabsgrundkörpers 20, a' die
Breite der Abtastelektroden der Abtastplatte 27 und (d+a) die Gitterkonstante des
Maßstabsgrundkörpers sind.
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Um auch eine Beeinflussung der an der Abtastplatte abgenommenen Spannungen
durch die lietenden Metallbeläge 23 und 24 des Maßstabsgrundkörpers zu verhindern,
ist die Länge L' der Abtastelektrode der Abtastplatte 27 größer als die Breite des
Maßstabsgrundkörpers 20.
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Fig. 8 zeigt eine Maßstabsscheibe 38 für Winkelmceeungen, auf der,
analog zu dem in Fig. 2 dargestellten Maßstabsgrund.
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körper 20, Elektroden 39 und 40 in zwei voneinander isolierten Gruppen
angeordnet sind, wobei die Elektroden einer jeden Gruppe durch leitende Metallbeläge
41 und 42 verbunden sind. Die dazugehörige Abtastacheibe 43 (Fig. 9) besitzt die
Abtastelektroden 44 und 45, die in Gruppen
angeordnet sind, wobei
ebenfalls die Elektroden einer jeden Gruppe durch leitende Metallbeläge 46 und 47
verbunden sind. Für die Abstände dieser Abtastelektroden 44 und 45 gelten ebenfalls
die weiter oben für Linearmaßstäbe beschriebenen Verhältnisse, und es werden an
der Abtastscheibe 43 ebenfalls Spannungen gewonnen, die zur Winkelpositionierung
oder -messung weiterverarbeitbar sind.
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In Fig. 10 ist ein Maßstabsgrundkörper 20 mit den Elektroden 21 und
22, sowie den auf der Oberfläche des Grundkörpers angeordneten, die Elektroden verbindenden
Metall beläge 23 und 24 dargestellt. Zur Beseitigung von Koppelkapazitäten sind,
parallel zu den Metallbelägen 23 und 24 verlaufend, auf der Oberfläche des Maßstabsgrundkörpers
20 leitende Metallstege 48 und 49 angeordnet, an die eine Spannung angelegt werden
kann, die eine zur Spannung an den den Metallstegen 48 und 49 zugeordneten Metallbelägen
23 und 24 entgegengesetzte Polarität besitzt. In ähnlicher Weise können auch die
Abtastplatten mit Metallstegen versehen sein, die zu den Metallbelägen parallel
verlaufen (flucht dargestellt).
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Die Bestimmung der relativen Stellung x der Abtastplatte bzw. Abtaatscheibe
zum Maßstabsgrundkörper bzw. zur Maßstabsscheibe erfolgt aus den genannten Spannungen
ul u2; u3 und u4 durch elektrische Messung der Phasenlage dieser Spannungen und
durch Zählung der einzelnen Nulldurchgänge. Diese Spannungen werden Differenzverstärkern
zugeführt,
deren Ausgangssignale einen Phasenschieber zugeleitet
werden, der die Aufgabe hat, eine Nullpunktverschiebung zu ermöglichen, Von dort
gelangen die Signale huber phasenabhangige Gleichrichter und eine Einrichtung zur
Bestimmung der Bewegungsrichtung auf einen Vorwärts-RUckwärts°Zähler, der die Anzeige
z. B. der ganzen MiLLimeter ermöglicht. Parallel dazu werden die Signale einem elektrischen
lnterpolator, zugeführt, Lieser Inerpolator ermöglicht eine Anzeige der Stellen
hinter dem Komma, also z. B. der Bruchteile von Millimetern oder Winkeleinheiten.
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Um die Abhängigkeit der Amplitude der Signale vom Abstand h der Abtastplatte
27 vom Maßstabsgrundkörper 1 auszuschalten, werden die beiden um 900 phasenverschobenen
Signale Usinx und Ucoex einzeln mittels elektronischer Mittel summiert und verstärkt,
so daß ein weiteres Signal erhalten wird, welches nur von der Amplitude U nicht
aber vom Abstand h abhängig ist. Dieses weitere Signal wird in ein Hochfrequenzsignal
umgewandelt, welches die gleiche Phase und Frequenz besitzt, wie die Spannung, die
an den Elektroden des Maßstabsgrundkörpers anliegt.