DE3638338A1 - Bewegungsmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungsmeßvorrichtung mit zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern, zwischen denen ein Verformungskörper aus durchsichtigem Material angebracht ist, der an mindestens einer Meßstelle beidseitig Polarisationsfilter trägt sowie mindestens eine Lichtquelle und eine Fotozelle aufweist, die mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden ist.

Durch Verformungen hervorgerufene Spannungen führen in durchsichtigen Körpern zu einer Änderung der optischen Eigenschaften. So werden durchsichtige Körper, die im spannungsfreien Zustand optisch isotrop sind, unter der Einwirkung von Spannungen anisotrop. Dieses Verhalten wird in der Spannungsoptik verwendet, um in durchsichtigen Modellkörpern Spannungen sichtbar zu machen, die unter bestimmten Belastungen auftreten; hierzu wird der durchsichtige Körper mit polarisiertem Licht durchleuchtet.

Es ist auch bekannt, diese physikalische Erscheinung in einer Kraftmeßeinrichtung zu verwenden, um die der aufgebrachten Druckkaft proportionale Verformung eines Verformungskörpers zu bestimmen (DE-OS 25 10 545). Der Verformungskörper besteht hierbei aus einem Einkristall aus Galliumphosphid oder Galliumarsenid. Durch die bei der Verformung auftretende Anisotropie ändert sich die optische Durchlässigkeit des Verformungskörpers. Die Helligkeitsänderung des durch den Verformungskörper hindurchfallenden polarisierten Lichtes wird gemessen und liefert ein Signal für die Größe der Verformung.

Bei der bekannten Vorrichtung tritt die Helligkeitsänderung des hindurchfallenden Lichtes sowohl bei einer Stauchung als auch bei einer Dehnung des Verformungskörpers auf. Zug- und Druckkräfte können daher nicht unterschieden werden. Die Vorrichtung ist deshalb nur für eine einfache Kraftmeßvorrichtung, insbesondere eine Druckmeßvorrichtung geeignet, bei der die Richtung der auftretenden Kraft vorgegeben ist.

Bei vielen Kraftmeßaufgaben ist es erforderlich, aus unterschiedlichen Richtungen angreifende Kräfte, denen beispielsweise auch Drehmomente überlagert sein können, zu bestimmen. Die in solchen Kraftmeßeinrichtungen verwendeten Bewegungsmeßvorrichtungen müssen deshalb in der Lage sein, Zugkräfte und Druckkräfte zu unterscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bewegungsmeßvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine Unterscheidung von Zug- und Druckkräften ermöglicht und zum Aufbau von auch komplexen Kraftmeßvorrichtungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der durchsichtige Verformungskörper aus amorphem Material besteht und auf beiden Seiten jeweils ein um 45° drehendes optisch aktives Filter angeordnet ist, daß auf der Außenseite des einen Filters eine Spiegelschicht aufgebracht ist, daß auf der Außenseite des anderen Filters eine zirkular polarisierende Filterschicht angeordnet ist, an deren Außenseite die Lichtquelle und die Fotozelle angeordnet sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Änderung der Farbe des auf die Fotozelle fallenden Lichtes erfaßt.

Die bei der Verformung des Verformungskörpers auftretende Anisotropie wirkt sich auf die verschiedenen Wellenlängen des Lichtes bei einer Dehnung oder einer Stauchung unterschiedlich aus. Wenn weißes Licht verwendet wird, verändert sich die Farbe des austretenden Lichtes bei Stauchung und Dehnung in entgegengesetzten Richtungen. Wenn monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlänge verwendet wird, so sind die auftretenden Helligkeitsänderungen bei Stauchung und Dehnung unterschiedlich. Dieses optische Verhalten ermöglicht es in einfacher Weise, aus dem Signal der Fotozelle nicht nur auf die Größe, sondern auch auf die Richtung der ausgeführten Verformung zu schließen. Damit können Kraftmeßvorrichtungen gebaut werden, bei denen an mehreren Stellen eines Verformungskörpers die Verformungen nach Größe und Richtung bestimmt werden, so daß auch komplexe Kräfte und/oder Momente erfaßt werden können.

Vorzugsweise wird die Einrichtung zum Erfassen einer Änderung der Farbe des Lichts dadurch gebildet, daß an der Meßstelle nahe beieinander mindestens zwei Lichtquellen angeordnet sind, die monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden und denen jeweils eine gesonderte Fotozelle zugeordnet ist, deren Ausgangssignale in der Auswerteschaltung gesondert erfaßt und in einer Vergleichereinrichtung verglichen werden. Je nach der Richtung der Verformung wird die Helligkeitsänderung in der einen oder der anderen Fotozelle stärker sein. Diese Erscheinung kann erfaßt und ausgewertet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 in einem Längsschnitt eine Bewegungsmeßvorrichtung mit einem Verformungskörper mit mehreren Meßstellen,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt im Bereich einer der Meßstellen,

Fig. 3 in räumlicher Darstellungsweise und teilweise aufgeschnitten die Bewegungsmeßvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Stirnansicht des Verformungskörpers der Bewegungsmeßvorrichtung nach den Fig. 1 und 3 mit einem Blockschaltbild der Auswerteschaltung,

Fig. 5 ein vereinfachtes Teilschaltbild für eine Meßstelle und

Fig. 6+7 andere Ausführungsformen der Verformungskörper jeweils in einer Stirnansicht.

Die in den Fig. 1 und 3 gezeigte Bewegungsmeßvorrichtung weist einen scheibenförmigen Verformungskörper 1 auf, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist, das als rohrförmige Hülse ausgeführt ist. Ein länglicher, aus Glas bestehender Übertragungskörper 3 ist an seinem einen Ende mit dem Gehäuse 2 verbunden. An seinem anderen Ende ist er mit dem mittleren Bereich des Verformungskörpers 1 verbunden. Der äußere Bereich des Verformungskörpers 1 ist mit dem Gehäuse 2 verbunden.

Eine stirnseitig vor dem Verformungskörper 1 angeordnete Platine 4 trägt Lichtquellen, Fotozellen und Teile der Auswerteschaltung, die mit einer Übertragungsspule 5 am Ende des Gehäuses 2 verbunden sind. Diese Übertragungsspule 5 steht mit einer zugeordneten, nicht dargestellten Übertragungsspule außerhalb des Gehäuses 2 in induktiver Verbindung.

Der Aufbau des Verformungskörpers 1 und der daran angebrachten Polarisationsschichten im Bereich einer Meßstelle ist in Fig. 2 dargestellt. Der Verformungskörper 1 besteht aus durchsichtigem, amorphem Material, beispielsweise Glas, jedoch kann auch jede andere, im spannungslosen Zustand optisch isotrope Substanz benutzt werden, beispielsweise alle durchsichtigen amorphen Festkörper.

Auf beiden Seiten trägt der Verformungskörper 1 im Bereich einer Meßstelle jeweils ein das Licht um 45° drehendes optisch aktives Filter 6 bzw. 7. Auf der Außenseite des einen Filters 7 ist eine Spiegelschicht 8 aufgebracht. Auf der Außenseite des anderen Filters 6 ist eine das Licht zirkular polarisierende Filterschicht 9 angeordnet. Das von einer Lichtquelle 10, beispielsweise eine Fotodiode, ausgehende Licht tritt durch die zirkular polarisierende Filterschicht 9 und das optisch aktive, um 45° drehende Filter 6 in den Verformungskörper 1 ein. Es gelangt durch das optisch aktive, um 45° drehende Filter 7 zu der Spiegelschicht 8, wird dort reflektiert und gelangt durch das Filter 7, den Verformungskörper 1, das Filter 6 und die zirkular polarisierende Filterschicht 9 zu einer Fotozelle 11, die in Abhängigkeit von der Helligkeit ein Signal liefert.

Wenn der Verformungskörper 1 unverformt ist, wird das Licht einfach reflektiert. Das austretende Licht hat die gleiche Wellenlänge wie das eintretende Licht. Wenn man weißes Licht verwendet und den Verformungskörper 1 verformt, so verfärbt sich das austretende Licht. Es erfolgt eine von der Wellenlänge abhängige unterschiedliche Absorption. Welche Wellenlängen absorbiert werden und wie stark dies geschieht, hängt von der Richtung und Stärke der Verformung ab. Bei einer Stauchung unter Druckbeanspruchung ergibt sich eine Verfärbung in Richtung auf blau bzw. grün, während sich bei einer Dehnung unter einer Zugbeanspruchung eine Verfärbung in Richtung auf gelb und rot ergibt.

Verwendet man dagegen monochromatisches Licht, so ergeben sich für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Helligkeitsänderungen in Abhängigkeit davon, ob der Verformungskörper 1 gestaucht oder gedehnt wird. Da als Lichtquellen 10 zweckmäßigerweise Fotodioden verwendet werden, die ohnehin weitgehend monochromatisches Licht liefern, verwendet man an jeder Meßstelle mindestens zwei Lichtquellen 10, die Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden und denen jeweils eine gesonderte Fotozelle 11 zugeordnet ist.

Aus den Fig. 3 und 4 erkennt man, daß der Verformungskörper 1 eine zentrale Scheibe 12 und konzentrisch im radialen Abstand hierzu einen Ring 13 aufweist, die durch Meßstege 14 miteinander verbunden sind. Die Meßstellen befinden sich im Bereich der Meßstege 14.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind an drei gleichmäßig am Umfang verteilten Stellen jeweils zwei Meßstege 14 angeordnet, die angenähert in einem Winkel von 45° zur Radialrichtung stehen.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Meßanordnung für eine Meßstelle. Auf dem Meßsteg 14 sind drei Paare von Lichtquellen 10 und Fotozellen 11, beispielsweise Fotodioden, angeordnet, die jeweils mit unterschiedlichem Licht arbeiten und die Helligkeitsänderungen der unterschiedlichen Farben messen. Die von den einzelnen Fotozellen gelieferten Signale werden über Analog-Digital- Wandler 15 und einen Decoder 16 als die Größe und die Richtung der aufgetretenen Bewegung darstellende Signale an einen Mikroprozessor 17 der Auswerteschaltung gegeben.

Durch die Auswertung mehrerer Meßstellen können auch kompliziertere Bewegungen erfaßt werden. So kann aus den gemessenen Verformungen an den sechs Meßstellen des dargestellten Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 mit Hilfe des Mikroprozessors 17 durch trigonometrische Berechnungen die Verformung der gesamten Bewegungsmeßvorrichtung (Fig. 1) bestimmt werden. Durch eine geeignete Programmierung kann erreicht werden, daß außer dem jeweiligen Verformungszustand auch andere Größen überwacht werden können, z.B. aus der Verformung und ihrer Dauer abgeleitete Größen sowie Grenzwertüberschreitungen. Um die Bewegungsmeßvorrichtung möglichst flexibel in der Anwendung zu machen, programmiert man den Mikroprozessor 17 so, daß er zu jeder Zeit geeicht und der Nullpunkt festgelegt werden kann; ebenso können Grenzwerte bzw. aus den Verformungen abgeleitete Größen vorgegeben werden. Die dafür notwendigen Daten, wie Absolutwerte, Meßpunktzustände usw. werden in einem EEPROM 18 gespeichert. Über einen Decoder 19, der mit einer Spannungsversorgungseinrichtung 20 verbunden ist, gelangen die Ausgangssignale zur Übertragungsspule 5.

Wenn die Bewegungsmeßvorrichtung oder der Sensor beispielsweise in einen Werkzeughalter eingebaut ist, wird zur Eichung zunächst ein entsprechender Befehl an die Bewegungsmeßvorrichtung gegeben. Diese ist dann für die Eichung bereit. Man führt dann einige Verformungen des Werkzeughalters durch und übermittelt dabei die Richtung und Größe der Bewegung an die Bewegungsmeßvorrichtung. Später kann die Bewegungsmeßvorrichtung ihre relative Bewegung in die absoluten Verformungen des Werkzeughalters umrechnen. Die dafür erforderlichen Daten sind im EEPROM 18 gespeichert.

Setzt man dann den Werkzeughalter in eine Maschine ein und gibt einen nullpunktsetzenden Befehl, dann wird die augenblickliche Verformung als Referenz wieder im EEPROM 18 abgespeichert. Die Grenzwerte werden der Bewegungsmeßvorrichtung übermittelt. Während der Anwendung gibt die Bewegungsmeßvorrichtung eine Meldung, wenn die vorgegebenen Grenzwerte überschritten werden. Es ist auch möglich, mit einem entsprechenden Befehl momentane Werte abzufragen, und zwar nicht nur die Verformung selbst sondern auch die daraus hergeleiteten Größen.

In Fig. 4 wurden die sechs Meßpunkte A-D bezeichnet. An diesen Meßpunkten wurden beispielsweise die folgenden Werte nach Größe und Richtung ermittelt, wobei die Größe der Verformung in willkürlich festgesetzten Einheiten angegeben ist. Eine Dehnung ist mit +, eine Stauchung mit - bezeichnet:

Daraus ergibt sich, daß sich die zentrale Scheibe 12 relativ zu dem äußeren Ring 13 um etwa 6 Einheiten nach oben bewegt hat.

Bei einem anderen Verwendungsbeispiel wurden folgende Werte ermittelt:

Hieraus folgt, daß der äußere Ring 13 eine Rechtsdrehung um etwa 3 Einheiten ausgeführt hat.

In den Fig. 6 und 7 sind gegenüber der Fig. 4 unterschiedliche Ausführungsformen des Verformungskörpers 1 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind an den drei Meßstellen nur radiale Meßstege 14′ vorgesehen. Im Gegensatz dazu sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 an den drei Umfangsstellen sowohl radiale Meßstege 14′ als auch tangentiale Meßstege 14′′ ausgebildet.

Claims (10)

1. Bewegungsmeßvorrichtung mit zwei relativ zueinander bewegbaren Körpern, zwischen denen ein Verformungskörper aus durchsichtigem Material angebracht ist, der an mindestens einer Meßstelle beidseitig Polarisationsfilter trägt sowie mindestens eine Lichtquelle und eine Fotozelle aufweist, die mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden, dadurch gekennzeichnet, daß der durchsichtige Verformungskörper (1) aus amorphem Material besteht und auf beiden Seiten jeweils ein um 45° drehendes optisch aktives Filter (6 bzw. 7) angeordnet ist, daß auf der Außenseite des einen Filters (7) eine Spiegelschicht (8) aufgebracht ist, daß auf der Außenseite des anderen Filters (6) eine zirkular polarisierende Filterschicht (9) angeordnet ist, an deren Außenseite die Lichtquelle (10) und die Fotozelle (11) angeordnet sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die eine Änderung der Farbe des auf die Fotozelle (11) fallenden Lichtes erfaßt.

2. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen einer Änderung der Farbe des Lichtes dadurch gebildet wird, daß an der Meßstelle nahe beieinander mindestens zwei Lichtquellen (10) angeordnet sind, die monochromatisches Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussenden und denen jeweils eine gesonderte Fotozelle (11) zugeordnet ist, deren Ausgangssignale in der Auswerteschaltung gesondert erfaßt und in einer Vergleichereinrichtung verglichen werden.

3. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) eine zentrale Scheibe (12) und konzentrisch im radialen Abstand hierzu einen Ring (13) aufweist, die durch Meßstege (14) miteinander verbunden sind, an denen sich die Meßstellen befinden.

4. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstege (14′) radial verlaufen.

5. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstege (14) jeweils in vorzugsweise drei Gruppen von angenähert rechtwinklig zueinander gerichteten Meßstegen angeordnet sind.

6. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein radial und ein tangential gerichteter Meßsteg (14′, 14′′) eine Gruppe bilden.

7. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei angenähert unter 45° zur Radialrichtung verlaufende Meßstege (14) eine Gruppe bilden.

8. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper (1) mit den darauf angebrachten Filterschichten (6, 7, 8, 9), die Lichtquellen (10), die Fotozellen (11) und mindestens ein Teil der Auswerteschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse (2) angeordnet sind.

9. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) eine Übertragungsspule (5) angeordnet ist, die mit einer zugeordneten Übertragungsspule außerhalb des Gehäuses (2) in induktiver Verbindung steht.

10. Bewegungsmeßvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) eine rohrförmige Hülse ist, in der ein länglicher Übertragungskörper (3) angeordnet ist, der an seinem einen Ende mit der Hülse und an seinem anderen Ende mit dem Verformungskörper (1) verbunden ist, der an seinem Umfang mit der Hülse verbunden ist.