DE3638338A1 - Bewegungsmessvorrichtung - Google Patents
BewegungsmessvorrichtungInfo
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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.
Priority Applications (6)
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