CH382453A - Elektromechanischer Wandler - Google Patents

Description

  
 



  Elektromechanischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, insbesondere zum genauen Messen, Einstellen oder Bestimmen einer Lage, z. B. zur Messung oder Bestimmung der Lage des Werkzeugtisches einer Werkzeugmaschine oder des Werkzeugsupports einer solchen Maschine.



   Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur elektrischen Messung mechanischer Abstände vorgeschlagen worden. Zum Beispiel sind Differentialtransformatoren mit veränderlicher Kopplung zwischen den beiden Wicklungen als Lehren verwendet worden. Die Linearität derartiger Anordnungen reicht aber im allgemeinen nur für sehr kleine mechanische Verschiebungen aus. Um diese Begrenzung zu überwinden, wäre die Verwendung zahlreicher nebeneinanderliegender gleichartiger Vorrichtungen erforderlich, um die Genauigkeit und Linearität einer geringen mechanischen Bewegung zusammen mit einer grossen Bewegungsfreiheit zu ergeben.



   Eine bekannte Anordnung mit ähnlicher Lösung verwendet einen elektromagnetischen Tastkopf, der einem Teil eines Differentialtransformators entspricht und in der Nähe einer Reihe von Magneten angeordnet ist, die relativ zu dem Tastkopf bewegt werden.



  Durch genaue Abstandseinhaltung und Anordnung der Magnete kann die Lage des Tastkopfes in bezug auf einen beliebigen Magnet bestimmt werden. Um jedoch die Tischlage an anderen Stellen als denjenigen, wo der Tastkopf einem Magneten gegenübersteht, genau festzustellen, muss der Tastkopf dem betreffenden Magneten genau gegenübergestellt und dann relativ zum Maschinenbett mikrometrisch verstellt werden. Der Tisch kann also in beliebige Lage relativ zum Maschinenbett gebracht werden, während der Tastkopf praktisch nur unmittelbar gegenüber einem der Magnete genau eingestellt werden kann.

   Eine solche Anordnung mag für manche Zwecke ausreichend sein, bringt aber offensichtlich eine Unstetigkeit mit sich, da bei der Bewegung von einem Magnet zum nächsten die Mikrometereinstellung auf Null zurückgestellt werden muss, wenn der Tisch wieder genau gegenüber einem Nullpunkt relativ zum Maschinenbett eingestellt werden soll.



   Ziel der Erfindung ist deshalb die Schaffung einer Präzisionsmesseinrichtung, die in bezug auf mehrere Fixpunkte jeweils genau eingestellt werden kann und ohne Auftreten einer Unstetigkeit auch zwischen diesen Lagen stetig verstellt werden kann. Die Messeinrichtung in Form eines erfindungsgemässen elektromechanischen Wandlers ist ausserordentlich robust und einfach konstruiert.



   Der elektromechanische Wandler nach dieser Erfindung besteht aus einer drehbar gelagerten Schraubenspindel aus magnetischem Material und einem längs der Spindel verschiebbaren elektromagnetischen Geber, der eine Induktionsspule und einen die Spindel mindestens teilweise umfassenden Polschuh mit Innengewinde aufweist, wobei die Steigungen des Innengewindes des Polschuhes und der Schraubenspindel übereinstimmen, der äussere Gewindedurchmesser der Spindel jedoch kleiner ist als die lichte Weite des Innengewindes.



   Der erfindungsgemässe elektromagnetische Wand  ler    ist dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule neben dem Polschuh angeordnet ist zwecks Erzeugung eines magnetischen Nutzflusses im Luftspalt zwischen Polschuh und Spindel, welcher von deren Relativlage zueinander abhängig ist, und dass zur Schliessung des Kraftlinienweges der Geber einen weiteren Polschuh ohne Innengewinde aufweist, so dass zwischen demselben und der Spindel ein Luftspalt konstanten magnetischen Widerstandes gebildet wird.  



   Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt des erfindungsgemässen Wandlers und
Fig. 2 das zugehörige Schaltbild.



   In Fig. 1 ist eine aus Stahl gefertigte Schraubenspindel mit einem Gewinde 3 quadratischen Profils gezeigt, bei dem die Breite der Gewinderippe gleich der Breite der Gewinderille ist. So ergibt sich längs der Leitspindel eine schraubenförmige Rillenbahn, in der die Permeabilität kleiner ist als längs der schraubenförmigen Metallrippe. Die Spindel kann beliebige Länge haben, sich also auch über die ganze Länge der gewünschten Bewegungsbahn der Werkzeugmaschine oder dergleichen, die zu steuern ist, erstrecken. In der Praxis ist eine solche Spindel auf dem Bett einer Werkzeugmaschine oder dergleichen derartig gelagert, dass sie in der richtigen Weise mit dem Tisch oder dergleichen zusammenwirkt und mit möglichst geringem Axialspiel gedreht werden kann.



  Hierzu sind vorzugsweise beide Enden der Spindel in vorgespannten Kugellagern gelagert, um Axialbewegungen auszuschliessen.



   Koaxial mit der Spindel ist ein Magnetkopf 4 vorgesehen, dessen Körper 5 einen Teil der Spindel umgibt. Der Tastkopf liegt nicht gegen die Spindeloberfläche an, so dass der Kopf axial frei beweglich ist.



  An beiden Enden des Tastkopfes sind Polschuhe 6 und 7 angebracht. Diese Polschuhe sind im wesentlichen ringförmig und an ihren Innenflächen koaxial mit der Spindel 2 mit einer schraubenförmig verlaufenden Rille versehen, die ein Gewinde bildet, das eine Gewinderippe von ähnlichem Querschnitt und ähnlicher Neigung besitzt, wie die Gewinderippe der Spindel 2. Die Gewinderippen 8 und 9 können die gleichen Masse besitzen wie die Gewinderippe der Spindel 2.



   An den beiden Enden des Tastkopfes befinden sich ringförmige Vertiefungen 10 und 11, in denen Ringspulen 12 und 13 untergebracht sind, die an dem Tastkopf befestigt sind und die Spindel umgeben, deren Oberfläche jedoch nicht berühren. Der Abstand der Polschuhe ist so gewählt, dass wenn die Gewinderippen des einen Polschuhes denjenigen der Spindel direkt gegenüberstehen, die Gewinderippen des anderen Polschuhes den Gewinderillen der Spindel gegen überstehen. Der ganze Tastkopf ist so angebracht, dass er axial zur Spindel verschoben, jedoch nicht relativ zur Maschine gedreht werden kann. Der Tastkopf ist mit dem Tisch oder Support oder dergleichen gekuppelt. Da die Spindel in axialer Richtung festliegt, ist es durch Verschiebung des Tastkopfes relativ zur Spindel möglich, das Werkzeug oder den Tisch relativ zur Spindel, das heisst zur ganzen Maschine, einzustellen.



   Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorrichtung kann am besten in nachfolgender Weise wiedergegeben werden.



   Die langgestreckte Schraubenspindel aus Magnetmaterial besitzt schraubenförmig verlaufende Gewinderillen, deren magnetische Permeabilität geringer ist als die der Gewinderippen. Mindestens ein Teil der Schraubenspindel wird von einem Tastkopf umgeben, der über die Spindelfläche frei beweglich ist und zwei Pole trägt, die durch die Spindel magnetisch verbunden sind. Mindestens ein Pol hat eine mindestens teilweise schraubenförmig verlaufende Rillenbahn an seiner Polfläche, deren magnetische Permeabilität von derjenigen des Restes des Pols abweicht, wobei die Schraubenbahnen des Pols und der Spindel die gleiche Ganghöhe haben. Da die Spindel die Pole magnetisch verbindet, ist der magnetische Widerstand des Kraftlinienweges durch die Pole und den Tastkopf sowie die Spindel am geringsten, wenn Gewinderippen des Pols und der Spindel zusammenfallen.

   Dagegen nimmt der magnetische Widerstand zu, wenn der Tastkopf so verschoben wird, dass Gewinderillen des Pols Gewinderippen der Spindel gegenüberstehen.



  Deswegen kann die relative Lage der beiden Schrau  benfiächen    durch Messen des magnetischen Widerstandes des Kraftlinienweges festgestellt werden.



   Um die Lage des Tastkopfes an denjenigen Stellen zu bestimmen, an denen die Schraubenflächen einander nicht genau gegenüberstehen oder um eine halbe Ganghöhe gegeneinander versetzt sind, kann die Spindel gedreht werden bis die Schraubenflächen einander gegenüber stehen. Dies läuft auf eine Mikrometerverstellung hinaus. Wenn diese Polanordnung am anderen Ende des Tastkopfes um eine halbe Ganghöhe versetzt angebracht wird, erreicht der magnetische Widerstand des einen Kreises sein Maximum, wenn derjenige des anderen Kreises sein Minimum erreicht hat. Durch Einführung der magnetischen Widerstände dieser beiden Kreise in eine Brücke können sie gegeneinander abgeglichen werden, bis sie gleich gross sind. Dies ergibt einen Nullwert am Brücken ausgang nur so lange, als die magnetischen Widerstände der beiden Kreise gleich gross sind.

   Wenn nun die Spindel gedreht wird, werden die Schraubenlinien gegeneinander verschoben, und ein Nullwert ergibt sich erst wieder bei einer weiteren Bewegung des Tastkopfes in Axialrichtung, bis die magnetischen Widerstände der beiden magnetischen Kreise wieder gleich sind.



   In Fig. 2 ist eine elektrische Schaltung zum Ableiten eines Anzeige- oder Steuersignals für diese Einstellung dargestellt. Die Wicklungen 12 und 13 bilden zwei Zweige einer Brücke. Die beiden anderen Zweige sind Widerstände 14 und 15. Wechselstrom wird vom Netz bei 16 abgenommen und über einen Transformator 17 auf die eine Brückendiagonale gegeben, die zwischen den Verbindungsstellen der Widerstände 14 und 15 und der Wicklungen 12 und 13 liegt. Die Ausgangsspannung der Brücke erscheint an den Klemmen 18.



   Die Arbeitsweise der Anordnung wird an Hand der in Fig. 1 dargestellten Lage des Tastkopfes erläutert. Bei dieser Lage sind die Gewinderippen 8 etwas gegen die Gewinderippen 3 verschoben,   wäh-    rend die Gewinderippen 9 etwas gegen die Gewinderillen zwischen den Gewinderippen 3 verschoben sind.



  Demzufolge ist der magnetische Widerstand des über  die Pole 6, die Gewinderippen 8, die Gewinderippen
3, die Spindel und den Kopf 4 verlaufenden magnetischen Kreises geringer als derjenige des über die Gewinderippen 9, die Gewinderippen 3, den Polschuh 7 und den Kopf 4 und die Spindel geschlossenen magnetischen Kreises. Wenn also die Brücke durch Wahl der Widerstände 14 und 15 anfänglich für gleiche magnetische Widerstände der beiden Kreise abgeglichen war, so ergibt sich nun eine grössere oder kleinere Induktivität der Wicklung 12 als der Wick  lung    13 und damit eine Brückenunsymmetrie, die eine Spannung an den Klemmen 18 erzeugt. Das Signal an den Klemmen 18 kann einem Anzeigegerät oder einer Nachstellvorrichtung zugeführt werden.

   Auf alle Fälle kann der Tastkopf so lange nachgestellt werden, bis die Induktivität der beiden Spulen wieder übereinstimmt, was eine bestimmte physikalische Beziehung zwischen dem Tastkopf und der Spindel einschliesst.



  Dieser Abgleich kann in zwei Arten durchgeführt werden, nämlich einmal durch axiale Verschiebung des Tastkopfes oder anderseits durch Drehbewegung der Spindel. Da eine vollständige Umdrehung der Spindel einer axialen Verschiebung des Tastkopfes um eine vollständige Ganghöhe entspricht, ergibt auch ein Teil einer vollständigen Umdrehung den entsprechenden Bruchteil einer Ganghöhe der Schraube für lineare Verschiebung des Tastkopfes. Durch entsprechende Eichung der Spindel ist es möglich, die Kreisskala unmittelbar in Längenwerten zu eichen. 3600 Umdrehung sind gleich einer Ganghöhe, 360 also   1iio    Ganghöhe,   3,60    gleich   Jioo    Ganghöhe usw. Wenn z.

   B. die Ganghöhe des Gewindes 2,5 mm beträgt, so bedeutet dies, dass der Abstand von der Vorderkante einer Gewinderippe zur Vorderkante der nächsten Gewinderippe 2,5 mm beträgt. Dann entspricht eine Drehung der Spindel um 360 einer Tastkopfverschiebung um 0,25 mm und eine Drehung der Spindel um   3,60    einer Verschiebung um 0,025 mm. Es ist also möglich, die Stellung des Tastkopfes in bezug auf die Spindel in Vielfachen und Bruchteilen der Ganghöhe auszudrücken, während es stets nur erforderlich ist, den Tastkopf so einzustellen, dass die Brücke abgeglichen ist. Wenn der Wandler zu einer Nachlaufanordnung gehört, so kann die Ausgangsspannung an den Klemmen 18 unmittelbar oder über einen Verstärker an die Klemmen eines Nachlaufmotors bzw. an eine Phase eines zweiphasigen Nachlaufmotors geführt werden.

   Die andere Phase des Motors ist dann mit dem Wechselstromnetz verbunden, so dass die Drehgeschwindigkeit des Motors proportional zur Amplitude der Brückenausgangsspannung ist, während die Drehrichtung des Motors von der Phase dieser Ausgangsspannung abhängt.



   Selbstverständlich kann die Anzahl der von der Leitspindel zurückgelegten Umdrehungen bei der Einstellung des Tastkopfes von einem bestimmten Nullpunkt aus vom Bedienungsmann abgezählt werden.



  Günstiger kann es sein, die Anzahl der Nulldurchgänge des Tastkopfes zu zählen, während dieser sich von einem bestimmten Nullpunkt zu dem unmittelbar vor der gewünschten Stellung befindlichen Nulldurchgang bewegt. Dies gibt die Anzahl der Ganghöhen des Gewindes bei relativer Bewegung des Tastkopfes vom Nullpunkt aus, die dann in der entsprechenden Längeneinheit ausgedrückt werden kann. Um den Tastkopf genau auf eine bestimmte Stelle zu bringen, braucht dann nur noch die Spindel gedreht zu werden, bis die Ablesung Null erhalten wird, und dieser bestimmten Anzahl von Längeneinheiten der erforderliche Bruchteil einer Ganghöhe zugezählt zu werden, der zur Einstellung des Tastkopfes erforderlich ist.



  Wie erwähnt, wird dieser Bruchteil unmittelbar auf der Skala der Spindel abgelesen. Wenn z. B. die Ganghöhe 2,5 mm beträgt und der Tastkopf um 78,5 mm von einem Nullpunkt aus verschoben werden soll, so muss der Tastkopf um 31 Ganghöhen, das heisst 31 Nulldurchgänge vom Nullpunkt aus, verschoben werden und dann die Spindel aus der Nullstellung um   154"    verdreht werden.



   Obwohl die dargestellte Ausführungsform sehr zufriedenstellend in einer Brückenschaltung arbeitet, kann auch an andere Ausführungsformen gedacht werden, bei denen nur ein Polschuh am Tastkopf vorgesehen ist und nur die Zunahme oder Abnahme des magnetischen Widerstandes des Kreises gemessen wird. Dies gibt keinen so genauen Nullwert wie die dargestellte Ausführungsform, kann aber für gewisse Anwendungen günstiger sein. In diesem Falle wird der Tastkopf verschoben, bis ein Minimalwert oder ein Maximalwert des magnetischen Widerstandes vorliegt, und die Lage des Tastkopfes relativ zur Spindel wird wie vorher durch die Anzahl der Maxima oder Minima bestimmt, um welche der Tastkopf aus einer bestimmten Nullstellung verschoben wurde, sowie durch die Drehung der Spindel aus der Nullstellung, ausgedrückt in Graden.



   Der dargestellte Tastkopf hat gewisse Nachteile, wenn er aus massivem Metall besteht und bei den üblichen Netzfrequenzen, z. B. bei 50 Hz betrieben wird. Ein lamellierter Kern müsste aber aus radial angeordneten Blechen bestehen. Dies wäre schwierig herzustellen. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, kann der Tastkopf wie dargestellt im Querschnitt ausgeführt sein, erstreckt sich jedoch nur über den halben Umfang oder weniger der Spindel. Dann kann der Tastkopf aus ebenen Blechen bestehen, und die Polschuhe umgeben die Spindel nur teilweise. Der Längsschnitt des Tastkopfes sieht dann entsprechend der oberen Hälfte der Fig. 1 aus, wobei die Bleche in der Papierebene liegen. Diese Form des Tastkopfes hat besondere Vorteile, wenn der Wandler sehr langgestreckt ist. Die Spindel kann dann an Zwischenstellen z. B. mit Hilfe von U-förmigen Stützen unterstützt sein.

   Um dem Tastkopf eine Verschiebung auf der vollen Länge der Spindel ohne Behinderung durch diese Stützen zu gestatten, darf der Tastkopf die Spindel nur teilweise umschlingen. Die Wicklungen brauchen dabei nicht um die Spindel zu liegen, sondern müssen nur einen Teil des aus dem Polschuh, dem Tastkopf, der Spindel und den Luftspalten bestehen  den magnetischen Kreises umschlingen. Die Wicklung kann also z. B. so angeordnet werden, dass sie einen Schenkel zwischen dem Tastkopf und dem Polschuh umschlingt, wenn dieser nicht ringförmig ist.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektromechanischer Wandler, bestehend aus einer drehbar gelagerten Schraubenspindel aus magnetischem Material und einem längs der Spindel verschiebbaren elektromagnetischen Geber, der eine Induktionsspule und einen die Spindel mindestens teilweise umfassenden Polschuh mit Innengewinde aufweist, wobei die Steigungen des Innengewindes des Polschuhes und der Schraubenspindel übereinstimmen, der äussere Gewindedurchmesser der Spindel jedoch kleiner ist als die lichte Weite des Innengewindes, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (10, 11) neben dem Polschuh (6, 7) angeordnet ist zwecks Erzeugung eines magnetischen Nutzflusses im Luftspalt zwischen Polschuh und Spindel, welcher von deren Relativlage zueinander abhängig ist, und dass zur Schliessung des Kraftlinienweges der Geber einen weiteren Polschuh (5) ohne Innengewinde aufweist,

   so dass zwischen demselben und der Spindel ein Luftspalt konstanten magnetischen Widerstandes gebildet wird.

   UNTERANSPRUCH Wandler nach Patentanspruch, mit zwei in Brücke geschalteten Induktionsspulen und zwei Polschuhen mit Innengewinde, deren Abstand ein ungerades Vielfaches der halben Gewindesteigung beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (10, 11) sich zwischen den Polschuhen mit Innengewinde befinden und durch den Polschuh (5) ohne Innengewinde, der mit den äusseren Polschuhen magnetisch verbunden ist, voneinander getrennt sind.