DE2635073C3 - Vorrichtung zur Messung einer Relativbewegung und/oder einer Lageänderung zwischen zwei Gegenständen, insbesondere zwischen zwei Maschinenelementen - Google Patents

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.

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)

Patentansprüche:

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.

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