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Vorrichtung zur Absolutwertmessung
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von Bewegungsstrecken an Maschinen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Absolutwertmessung von Bewegungsstrecken an Isaschinen, beispielsweise an Werkzeugmaschinen.
Vorrichtungen dieser Art sind bereits bekannt, insbesondere im Zusammenhang mit
numerisch gesteuerten Bearbeitungsmaschinen.
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Die bekannten Streckenmeßvorrichtungen weisen entlang der Bewegungsstrecke
elektro-optisch oder induktiv abtastbare Maßstäbe auf. Dabei sind fiir eine Absolutwertmessung
nach einem irrungsfreien Code markierte IIaßstäbe aus lichtdurchlässigem oder lichtreflektierendem
SIaterial, oder für eine inkrementale Messung Maßstäbe mit Stricheichäng bekannt.
Für die induktive içIessung sind Maßstäbe mit einem Leitermäander bekannt.
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Zur alle bekannten Streckenmeßvorrichtungen gilt, daß der an der Bearbeitungsmaschine
angebrachte Meßteil, der als mechanischer Meßteil bezeichnet werden kann, dem eine
elektrische Auswerteschaltung mit unterschiedlicher Komplexität nachgeschaltet ist,
teuer in der Herstellung ist und einen wesentlichen Kostenfaktor solcher Vorrichtungen
bildet.
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Außerdem sind die Meßteile dieser Vorrichtungen relativ störanfällig,
insbesondere durch Versclmutzung oder Abrieb.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorstehend
genannten Nachteile eine Vorrichtung zur Absolutwertmessung von Bewegungsstrecken
an Maschinen zu schaffen, die
einen relativ einfachen und wenig
störanfälligen Meßteil aufweist, der eine spürbare Senkung der bislang relativ hohen
Kosten solcher Vorrichtungen erlaubt.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Vorrichtung eine entlang der Bewegungsstrecke ausgebildete Wellenausbreitungsstrecke
mit geeichter Gesamtlänge, einen Wellensender am einen und einen Wellenempfänger
am anderen Ende der Wellen ausbreitungsstrecke und eine zusammen mit einem in seiner
Bewegung zu überwachenden laschinenteil relativ zur Wellenausbreitungsstrecke bewegte
und mit ihr in Empfangskontakt stehende Empfängersonde aufweist, die zusammen mit
Wellensender und Wellenempfänger mit einer elektronischen Auswerte- und Steuerschaltung
gekoppelt ist. Dabei kann entweder die Sonde oder aber die Wellenausbreitungsstrecke
zusammen mit dem in seiner Bewegung zu überwachenden Maschinenteil bewegt werden.
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Auf der Wellenausbreitungsstrecke können elektromagnetische
Wellen
oder Wellenstöße, vorzugsweise in modulierter Form, auftreten. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform tritt auf der Wellenausbreitungsstrecke eine durch einen Schallsender
erzeugte stehende Welle, vorzugsweise Ultraschallwelle auf. Dabei kann es sich um
eine longitudinale Welle auf einer freien oder umschlossenen Luftstrecke handeln.
Die Wellenausbreitungsstrecke kann aber auch durch einen mechanischen Wellenträger
genau definierter Länge gebildet sein, beispielsweise durch eine gespannte Stahlsaite,
in der eine transversale stehende Welle auftritt, oder aus einem Stab oder Rohr,
beispielsweise aus Metall, Glas oder Keramik, in denen transversale Schwingungen
oder Torsionsschwingungen erzeugt werden. In jedem Falle wird eine teure Gravur
eines solchen Wellenträgers vollständig vermieden. Die freie oder durch einen Wellenträger
gebildete Wellenausbreitungsstrecke muß lediglicll in ihrer Gesamtlänge genau festgelegt
werden und wird zweckmäßig als geradzahliges Verhältnis einer Grundwellenlänge gewählt,
mit welcher ein Wellensender von einem einstellbaren Wellengenerator versorgt wird.
Die Wellenausbreitungsstrecke ist praktisch unempfindlich gegen eine Verschmutzung.
Dies gilt bei den gewählten Sendefrequenzen auch für einen mechanischen Wellenträger,
dessen mechanische Stabilität weitaus größer als diejenige der kostspielig bearbeiteten
Maßstäbe bekannter Streckenmeßvorrichtungen ist.
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Der Wellensender der Vorrichtung kann vorteilhafterweise mit einem
Wellengenerator veränderlicher Frequenz verbunden sein, während der Wellenempeänger
und die Sonde jeweils über Phasendetektoren mit einer Auswerte-und Anzeigeschaltung
verbunden sind. Der elektrische Teil der Vorrichtung kann aus an sich bekannten
Schaltungseinheiten aufgebaut sein. Wellengenerator und Auswerteschaltung können
auch an einen Programmgeber angeschlossen sein. Zweckmäßig wird der Phasendetektor
des Wellenempfängers mit dem Frequenzregler des Wellengenerators verbunden, so daß
beispielsweise temperaturbedingte Längenänderungen des Wellenträgers durch eine
entsprechende Mitänderung der Wellenlänge des ausgesandten Ultraschallsignals ausgeglichen
werden können.
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Die Anzeigegenauigkeit der Vorrichtung kann sehr hoch gewählt werden,
so daß in dieser Richtung keinerlei Beschränkung des Einsatzbereiches dieser Vorrichtung
vorhanden ist. Zur Erzielung höherer Anzeigegenauigkeiten kann der Wellengenerator
zweckmäßig mit einer Frequenzvervielfacherstufe versehen sein, um die Sendesignale
in den Wellenträger wahlweise mit einem Vielfachen der abgestimmten Grundfrequenz
einzugeben, wo sie eine stehende Welle bilden.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung ergibt eine einfache
Ausgestaltung des mechanischen Meßteils der Messvorrichtung, an den sich der elektrische
Teil mit voller Vielgestaltigkeit anschließen kann. Beispielsweise kann der elektrische
Teil der Messvorrichtung so gestaltet sein, daß in Bewegungspausen besondere Pausensignale
auf den Wellenträger gegeben werden können, die eine Eichung oder Nacheichung der
Anlage erlauben. Außerdem kann unter Auswertung der ermittelten Bewegungsgeschwindigkeiten
über den Programmgeber eine Nachprüfung der Positionswerte vorgenommen werden, wobei
eine Kombination von Absolutwertmessung und Inkrementalmessung angewandt werden
kann.
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Nachfolgend wird ein Äusführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten
Streckenmessvorrichtung anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung ist eine Bewegungsstrecke A-B einer beliebigen Bearbeitungsmaschine,
beispielsweise der Verstellweg eines Werkzeugsupports, durch eine obere
Linie
angedeutet. Die Vorrichtung zur messung und Erfassung der Bewegung des nicht dargestellten
Maschinenteiles ist in einen im Uberwachungsbereich der Maschine befindlichen Vorrichtungsteil
I, der kurz als "mechanischer Teil" gekennzeichnet sein soll, und in einen elektrischen
Vorrichtungsteil II unterteilt. Der elektrische Vorrichtungsteil II kann in einem
Schaltkasten oder auf mehrere Schaltkästen verteilt in der Maschinennähe oder entfernt
davon angeordnet sein. Seine einzelnen Schaltungsteile können an sich bekannte Schaltstufen
sein.
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Die Erfindung richtet sich im wesentlichen auf den mechanischen Teil
I der Vorrichtung. Sie weist eine symbolisch angedeutete Wellenausbreitungsstrecke
10 auf, die entlang der Verstellstrecke ausgebildet ist und die beim gewählten Ausführungsbeispiel
ein Wellenträger aus einem Medium ist, in oder mit dessen Hilfe sich eine stehende
Welle ausbilden läßt. Demnach kann der Wellenträger eine Luftsäule, eine Stahlsaite
oder ein Stab oder Rohr, beispielsweise aus Metall, Glas oder Keramik, sein und
entweder eine stehende longitudinale Welle, transversale Welle oder eine Drehschwingung
erzeugen. Die stehende Welle wird in dem auf eine genaue Länge vorgegebenen Wellenträger
10
mittels eines Wellensenders 11 erzeugt. Vorzugsweise wird hierzu
ein Ultraschall-Wellensender verwendet, der am einen Ende des Wellenträgers angeordnet
ist.
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Am entgegengesetzten Ende des Wellenträgers 10 ist ein Wellenempfänger
12 angeordnet. Mit dem nicht dargestellten Maschinenteil, dessen Bewegung gemessen
werden soll, wird eine Empfängersonde 13 mitbewegt, die mittels einer ebenfalls
nur symbolisch dargestellten Führung 14 genau entlang dem Wellenträger 10 in beiden
Richtungen verstellbar ist.
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Der Wellensender 11 ist mit einem im elektrischen Teil II der Vorrichtung
befindlichen Wellengenerator 15 verbunden, der mit einem Frequenzregler 16 gekoppelt
ist. Das am Wellenempfänger 12 auftretende Signal wird auf einen Phasendetektor
17 gegeben, der den Frequenzregler beeinflußt und der außerdem mit einer Vergleichsstufe
18 des Auswerte- und Anzeigeteils der Vorrichtung verbunden ist.
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Die npfängersonde 13 ist mit einem zweiten Phasendetektor 19 verbunden,
dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang der Vergleichsstufe 18 verbunden ist.
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Die Vergleichsstufe 18 ist mit einem Speicher 20 und mit einer Anzeigestufe
21 gekoppelt. Angezeigt werden können sowohl eine Wegstrecke als auch die Bewegungsgeschwindigkeit
des über die Wegstrecke verstellten Maschinenteils. Der aus den Schaltungsstufen
18, 20 und 21 bestehende Auswerte- und Anzeigeteil der Vorrichtung ist mit einem
elektronischen Steuerteil 22 der Vorrichtung verbunden, die über einen symbolisch
angedeuteten Steuerstrang 23 auf die Antriebsvorrichtungen der überwachten Bearbeitungsmaschine
einwirkt.
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Der elektrische Teil II der Vorrichtung weist außerdem einen Programmgeber
24 auf, der über eine Eingabestrecke 25 und eine Ausgabestrecke 26 mit der Steuereinrichtung
22 und außerdem mit dem Wellengenerator 15 und der Vergleichsstufe 18 verbunden
ist.
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Alle vorstehend erwähnten Verbindungen zwischen den wichtigsten Stufen
des elektrischen Teils II der Vorrichtung sind durch Verbindungslinien angedeutet.
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Die vorherrschende Signalübertragungsrichtung ist durch in die Linien
eingezeichnete Pfeile angedeutet.
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Den beiden Phasendetektoren 17 und 19 können zweckmäßig Filterstufen
vorgeschaltet sein, die ein Ausfiltern von eventuell auftretenden Nebengeräuschen
bewirken.
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Wie bereits eingangs erwähnt worden ist, ist der mechanische Teil
I der Vorrichtung einfach und störungsunempfindlich gestaltet. Der Wellenträger
10 ist praktisch völlig unempfindlich gegen Verschmutzungen, was den Anwendungsbereich
der Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Messvorrichtungen vergleichbarer Art erheblich
erweitert. Der elektrische Teil II der Vorrichtung kann aus auch an sich bekannten
Einzel stufen bestehen und die eingangs angedeutete Vielgestaltigkeit aufweisen.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: Mittels des Wellensenders
wird im Wellenträger 10 durch Ultrabeschallung eine stehende Welle gebildet.
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Die Wellenlänge des Erregungssignales, die am Wellengenerator 15 eingestellt
wird, entspricht der einfachen oder der doppelten definierten länge des Wellenträgers
10. Es ist dies die Grundwelle. Mittels der nicht dargestellten Frequenzvervielfacherstufe
kann vom Wellensender
ein Erregungssignal mit einem Bruchteil
der erwähnten Grundwellenlänge als Erregungssignal in den Wellenträger abgestrahlt
werden.
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Am Ende des Wellenträgers 10 auf der Höhe des Streckenpunktes B muß
sich bei diesem Erregungszustand des Wellenträgers ein Nulldurchgang der stehenden
Welle befinden. Sofern durch eine Frequenzabweichung des Wellengenerators 15 oder
eine Längenänderung des Wellenträgers 10 durch Temperatureinflüsse o. dgl. sich
dieser Nulldurchgang verschiebt, wird dies durch den Phasendetektor 17 festgestellt,
der über den Frequenzregler 16 eine Korrekturregelung des Wellengenerators 15 veranlaßt.
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Die Empfängersonde 13 liefert bei ihrer Verstellung auf der Strecke
A-B ein Signal, dessen am Phasendetektor 19 feststellbare Phasenlage abhängig von
seiner Stellung auf der Wegstrecke A-B ist.
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In der Vergleichsstufe 18 werden die von den beiden Phasendetektoren
17 und 19 gelieferten Signale verglichen und daraus die genaue Stellung der Inpfängersonde
13 angezeigt. Außerdem läßt sich aus der Schnelligkeit der Anderung des gemessenen
Phasenwinkels
die Bewegungsgeschwindigkeit erfassen und auswerten, beispielsweise zur Steuerung
des Programmgebers 24. Weitere Steuermöglichkeiten sind bereits eingangs erwähnt
worden.
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L e e r s e i t e