DE2635073C3 - Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung und/oder einer Lageänderung zwischen zwei Gegenständen, insbesondere zwischen zwei Maschinenelementen - Google Patents
Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung und/oder einer Lageänderung zwischen zwei Gegenständen, insbesondere zwischen zwei MaschinenelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Vorrichtung dieser Art ist z. B. aus der DE-PS 88 827 bekannt. Bei ihr sind als magnetisierbare Elemente
Zylinder vorgesehen, die in gegenseitiger Linienberührung ausgerichtet sind. Der Meßumformer
besteht aus zwei Spulen als Teil einer Meßbrücke, die beidseits der aus den zylindrischen Elementen gebildeten
Reihe angeordnet sind.
Die bekannte Vorrichtung erfordert zurgenauen Ausrichtung der Zylinder relativ zueinander und zu dem
Meßwandler eine komplizierte und aufwendige Gehäu- mi
sekonstruktion, und darüber hinaus auch eine sehr genaue
Anordnung der aus den Zylindern gebildeten Reihe, denn deren Verlagerung oder Verkantung quer
zu der auszuwertenden Relativbewegung führt zu Beeinflussungen des mit dem Meßumformer erhaltenen
Meßwertes.
Aus der DF.-AS 12 95 204 ist eine Werkzeugschlittenstcucrung
bekannt, bei der vorgegebene diskrete Posi-
"" Kugeln anstelle von Zylindern wird die Konstruktion
und der Zusammenbau der Gesamtvorrichiung wesentlich vereinfacht, da die Kugeln lediglich in ein
Führungsrohr einzulegen sinü, um sie aufeinander auszurichten.
Die gegenseitige Ausrichtung von Zylindern in einer gegenseitigen Linienberührung in Richtung
ihrer Reihe erfordert eine kompliziertere Gehäusekonstruktion. Die Verwendung von Kugeln macht ferner
den Einsatz von Stahlkugeln möglich, wie sie weitläufig für Kugellager verwendet werden und leicht und relativbillig
erhältlich sind, wenn ihre hohe Fertigungsgenauigkeit in Betracht gezogen wird. Durch die koaxiale
Anordnung der Geber- und Aufnahmespulen wird erreicht, daß bei einfachem mechanischem Aufbau des
Meßumformers ein weitgehend gleichmäßiges Magnetfeld im Bereich der magnetisierbaren Elemente erzeugt
wild, so daß an die Genauigkeit ihrer Ausrichtung noch geringere Anforderungen gestellt werden können.
Da die Geberspule die Kugelreihe umgibt, kann sie zylindrisch ausgeführt werden. In diesem Fall befinden
sich zum jeweiligen Zeitpunkt mehrere Kugeln innerhalb der Geberspule, so daß die durch eine Bewegung
der beiden Gegenstände relativ zueinander verursachte Änderung des Magnetfeldes unabhängig von den elektromagnetischen
oder mechanischen Unterschieden der Kugeln untereinander ist.
Die Vorrichtung kann derart weiter ausgebildet sein, daß jede Aulhahmespule mehrere Spulenteile umfaßt,
die miteinander in Reihe geschaltet und in regelmäßigen Abständen längs der Kugelreihe angeordnet sind,
und daß die Abstünde den Durchmessern der Kugeln entsprechen. Auf diese Weise ergibt sich ein kontinuierlicher
Aulhau des Meßumformers in Richtung der auszuwertenden Relativbewegung.
Bei Verwendung geteilter Aufnahmespulen besteht jede Geberspule vorteilhaft aus mehreren Spulenteilen,
die jeweils koaxial mit einem Spulenteil der jeweiligen Aufnahmespule angeordnet sind. Dadurch wird gleichfalls
eine sehr gleichmäßige Verteilung des erzeugten und auszuwertenden Magnetfeldes erreicht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine ichematische Darstellung des Prinzips
einer Meßvorrichtung, die mit Kugeln und mit einem Spulenpaar arbeitet,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anordnung von vier Spulenpaare.n, die nach dem in F i g. 1 gezeigten
Prinzip arbeiten,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit vier Aufnahmespulen.
Die Fig. 1 und 2 dienen der Erläuterung des Hintergrundes der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Kugelbehälter 1 aus nichtmagnetischem Material dargestellt, der rohrförmig ausgebildet
sein kann und auf einem Teil 2 einer Maschine mit einem Halter 3 montiert ist. Ein Meßumformer mit
mehreren Polen 4 (von denen zur besseren Übersicht nur einer dargestellt ist) ist mit einem zweiten Teil 7 der
Maschine mittels eines Halters 8 fest verbunden. Jeder Pol 4 trägt zwei Spulen, und zwar eine Geberspule 5 und
eine Aufnahmespule 6. Die Maschinenelemente 2 und 7 sind in der Richtung des dargestellten Doppelpfeiles
relativ zueinander beweglich, und die durch eine solche Bewegung bewirkte Lageänderung soll gemessen werden.
Der Behälter 1 enthält mehrere Stahlkugeln la, die nebeneinander in gegenseitiger Berührung auf einer
geraden Linie angeordnet sind, welche parallel zu der Richtung der Relativbewegung der Maschinenelemente
2 und 7 verläuft. Die Spulen 5 und 6 sind auf den beiden Seiter, der Linie der Kugeln la angeordnet, und die Pole
4 sind so ausgerichtet, daß sie eine Bewegung relativ zu der Linie der Kugeln la parallel zu dieser Linie ausführen,
wenn die Maschinenelemente 2 und 7 relativ zueinander bewegt werden. Dabei ist unwichtig, ob das Element
2 stationär und das Element 7 beweglich angeordnet ist oder umgekehrt, oder ob beide Elemente sich zueinander
entgegengesetzt und/oder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, solange die Lageänderung
parallel zu der Linie der Kugeln la auftritt.
Der Meßumformer umfaßt mehrere Pole, die periodisch längs der Linie der Kugeln la mit gegenseitigem
Abstand angeordnet sind. Die relativen PosiCionen dieser Pole sind durch die Anzahl der vorgesehenen
Pole bestimmt. Jede Geberspule wird über Leitungen 50 mit einem periodischen Signal, beispielsweise mit
einem sinusförmigen, rechteckförmigen oder einem anderen geeigneten Signal gespeist. Die Phasenlage dieses
Signals steht in direktem Zusammenhang mit der Unterteilung der Spulen. Dieses Signal erzeugt ein
Magnetfeld zwischen der Geberspule 5 und der Aufnahmespule 6, das durch die Relativbewegung der Kugeln
la zwischen beiden Spulen beeinflußt wird. Die daraus sich ergebende Änderung des Magnetfeldes erzeugt
entsprechende Änderungen des in der Aufnahmespule 6 induzierten Signals. Wenn die Ausgangssignale auf
den Leitungen 60 aller Aufnahmespulen summiert werden, ergibt sich, erforderlichenfalls nach Filterung des
resultierenden Signals, ein sinusförmiges Signal konstanter Amplitude, dessen Phasenlage direkt proportional
der Lageänderung zwischen den Maschinenelementen 2 und 7 nach einer Relativbewegung ist. Das resultierende
Signal wird nach geeigneter Verarbeitung auf einem Anzeigefeld digital dargestellt, dieses Anzeigefeld
kann mit einem Schreiber zur dauerhaften Aufzeichnung verbunden sein.
Ein Beispiel einer vierpoligen Anordnung ist in F i g. 2
gezeigt. Die einander benachbarten Pole haben einen gegenseitigen Abstand von 2d + d/4, wobei d der
Durchmesser oder die Unterteilung einer jeden Kugel la ist, so daß die Phasenlagen der den Geberspulen Sb,
Sc und Sd zugeführten Signale relativ zu derjenigen des
&iacgr;&ogr; der Geberspule 5a zugeführten Signals um 90°, 180°
und 27G° verschoben sind. Die resultierenden Signale in den Aufnahmespulen 6a, 66,6c und 6d werden wie vorstehend
beschrieben summiert. Es sei bemerkt, daß dies möglich ist, wenn ein und dasselbe Signal allen Geberspulen
5a, 56, 5c und 5a" der Anordnung nach Fig. 2
zugeführt wird. Jegliche Phasenverschiebung infolge einer Relativbewegung der Pole längs des Weges der
Kugeln wird den Ausgangssignalen der Aufnahmespulen mitge'eilt, bevor die Summierung der Signale
erfolgt.
In Fi g. 3 sind mehrere Stahlkugeln &idigr;&agr; :n einem geeigneten
Gehäuse 1 angeordnet, sie liegen nebeneinander in gegenseitiger Berührung auf einer geraden Linie. Ein
Meßumformer 5, 6 ist die Kugeln la umgebend angeordnet er umfaßt eine Geberspule 5 und Aufnahmespulen
6, die koaxial mit der Geberspule und auch mit einer Linie 10 angeordnet sind, welche die Kugelmitten
miteinander verbindet. Die Kugeln und der Meßumformer sind in Richtungen parallel zu der Linie 10 relativ
bewegbar und auf zwei Maschinenelementen (nicht dargestellt) befestigt, die gleichfalls in Richtungen parallel
zur Linie 10 relativ bewegbar sind. Die daraus sich ergebende relative Verlagerung der beiden
Maschinenelemente ist zu messen. Die Art der Befestigung der Kugeln und des Meßumformers an den
MaschineneJementen ist ähnlich den Befestigungsmöglichkeiten, wie sie in Verbindung mit F ig. 1 beschrieben
wurden.
Die Geberspule 5 umfaßt eine Anzahl Geberspulenteile 5', die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Mit-.e eines jeden Spulenteils hat einen Abstand ''/„ zur Mitte des jeweils nächsten Spulenteils, wobei d der Durchmesser oder die Unterteilung der Kugeln la und &eegr; die Anzahl der vorhandenen Aufnahmespulen 6 ist.
Die Geberspule 5 umfaßt eine Anzahl Geberspulenteile 5', die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Mit-.e eines jeden Spulenteils hat einen Abstand ''/„ zur Mitte des jeweils nächsten Spulenteils, wobei d der Durchmesser oder die Unterteilung der Kugeln la und &eegr; die Anzahl der vorhandenen Aufnahmespulen 6 ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Aufnahmespulen 6a, 6b, 6c und 6d vorgesehen, d. h. &eegr; = 4. Jede
Aumahmespule, beispielsweise die Spule 6a, umfaßt eine Anzahl Aufnahmespulenteile, beispielsweise die
Teile 6a 1, 6a2, 6a3 usw. Diese Spulenteile sind in gegenseitigen Abständen d angeordnet. Jeder Aufnahmespulenteil
wird von einem entsprechenden Geberspulenteil 5' umgeben so daß die Mitten einander
benachbarter Aufnahmespulenteile den gegenseitigen Abstand a74 zueinander haben. Da die Aufnahmesputen
somit ineinander verschachtelt sind, hut die Mitte z. B. des Aufnahmespulenteils 6a 1 den Abstand o74
von der Mitte der Aufnahmespulenteils 6bl.
Die Geberspule wird mit einem periodischen Signal gespeist, das sinusförmig, rechteckförmig usw. sein
kann, Es erzeugt ein Magnetfeld parallel zur Linie 10.
Die Änderung des Magnetfeldes, d«e sich aus einer relativen axialen Bewegung zwischen den Kugeln la und
dem Wandler ergibt, erzeugt entsprechende Änderungen der in den Aufnahmespulen 6a, 6b, 6c oder 6a1 induzierten
Signale. Die hhaseniage des von den Aufnahmespulen abgeleiteten Ausgangssignals wird dann entsprechend
der relativen Unterteilung der Aufnahmespulen eingestellt. Wenn die Ausgangssignale nach
gegebenenfalls erforderlicher Filterung summiert werden, ergibt sich ein resultierendes sinusförmiges Signal,
konstanter Amplitude, dessen Phase direkt proportional der relativen Verlagerung infolge der Relativbewegung
der Maschinenelemente zueinander ist.
Die Geberspulenteile, die die Spulenteile der jeweiligen Aufnahmespule umgeben, können auch in Reihe
geschaltet sein, und es wird ein separates Signal einer jeden Gruppe von Geberspulenleilen zugeführt. Die
relativen Phasen der zugeluhrten Signale entsprochen in
dann der Unterteilung der jeweils zugeordneten Aufnahmespule. In diesem Fall ist keine Phasencinstellung
der Ausgangssignale der Aufnahmespulen erforderlich.
Es sei bemerkt, daß es möglich ist, die Spulenteile der Aufnahme- und der Geherspule nach Fig. 3 auf flexi- I^
blen gedruckten Schaltungen zu verwirklichen, die um das K'JgiigcrU!'.!?'? hcpircigfng^n werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
M)
40
511
Claims (3)
1. Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung und/oder einer Lageänderung zwischen zwei
Gegenständen, insbesondere zwischen zwei Maschinenelementen,
bei der einer der Gegenstände mit einer parallel zur Richtung einer Bewegung der Gegenstände angeordneten
Reihe einander berührender. und gegen eine gemeinsame Bewegung fixierter magnetisierbarer
Elemente mit weitgehend gleichen magnetischen Eigenschaften versehen ist,
und bei der zur Erzeugung eines das jeweilige Element durchsetzenden, periodisch veränderbaren is Magnetfeldes an dem anderen Gegenstand ein Meßumformer vorgesehen ist, der mit mindestens einer Geberspule und mindestens zwei mit gegenseitigem A.hstand angeordneten Aufnahmespulen zur Feststellung von Änderungen des Magnetfeldes und zur Bestimmung der relativen Position der Gegenstände versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reihe magnetisierbarer Elemente aus Kugeln (la) gebildet ist.
und bei der zur Erzeugung eines das jeweilige Element durchsetzenden, periodisch veränderbaren is Magnetfeldes an dem anderen Gegenstand ein Meßumformer vorgesehen ist, der mit mindestens einer Geberspule und mindestens zwei mit gegenseitigem A.hstand angeordneten Aufnahmespulen zur Feststellung von Änderungen des Magnetfeldes und zur Bestimmung der relativen Position der Gegenstände versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reihe magnetisierbarer Elemente aus Kugeln (la) gebildet ist.
daß die Geberspule (5a) die Aufnahmespulen (6a, 66, 6c, ...) umgibt
und daß die Geberspule und die Aufnahmespulen koaxial zu einer Achse (10) angeordnet sind, die sich
durch die Reü.i von Kugeln (la) erstreckt und längs
derer diese bewegbar rind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jede AufnahmesrL-Ie (6a, 66, 6c, ...)
mehrere Spulenteile (6a 1, 6a2..., 6* 1, 662 ...) umfaßt,
die miteinander in Reihe geschaltet und in
regelmäßigen Abständen längs der Kugelreihe (la) angeordnet sind, und daß die Abstände den Durchmessern
der Kugeln (la) entsprechen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Geberspule (5) aus mehreren
Spulenteilen (5') besteht, die jeweils koaxial mil einem Spulenteil (6a 1, 6a2 ..., 661, 662 ...) der
jeweiligen Aufnahmespule (6a, 66, 6c ...) angeordnet sind.
45 tionen über einen Servomotor angefahren werden sollen; Zwischenpositionen werden beispielsweise mittels
eines manuellen Spindelantriebs eingestellt Auf einem Stab sind in gegenseitiger Anlage abwechselnd Zylinderringe
zwar gleicher Form jedoch unterschiedlicher magnetischer Eigenschaften montiert
Aus der DE-AS 10 42 905 ist ein rein mechanisches Längenmeßgerät bekannt mit einer Reihe innerhalb
eines Rohres geführter Kugeln, die die Einstellung diskreter Rastpositionen eines Meßkopfes erlauben. Zwischenstellungen
werden über einen manuellen Mikrometerantrieb erhalten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vornehtung
anzugeben, die bei einfacher Konstruktion eine genauere Lagebestimmung der Maschinenelemente
zueinander erlaubt und daher zuverlässiger als die bekannte Vorrichtung arbeitet.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung eingangs genannter Art erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs i gelöst
Die Erfindung führt zu dem wesentlichen Vorteil, daß das von den Aufnahmespulen abgegebene elektrische
Signal sich nur mit einer Bewegung der beiden Gegenstände in der auszuwertenden Richtung ändert, d. h. in
Längsrichtung der Kugelreihe. Die Sewegung der Geberspule seitlich zur Kugelreihe wird keinen Einfluß
auf die Änderungen des Magnetfeldes haben, welches von den Aufnahmespulen ausgewertet wird, da im Falle
einer Bewegung der jeweiligen Kugel in geringerem Abstand zu einer Seite der Geberspule als zur anderen
jegliche Beeinträchtigung des Auswertesignals dadurch kompensiert wird, daß die Kugeln sich gleichzeitig unter
einem entsprechend größeren Abstand zur anderen Seite der Geberspule bewegen. Durch die Verwendung
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