Vorrichtung zum Messen von Längen oder Abständen
Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von Längen oder Abständen zwischen Gegenständen.
Bei mehreren bekannten Vorrichtungen dieser Art findet ein Massstab Verwendung, der mit einer Anzahl regelmässig verteilter elektrischer oder magnetischer Diskontinuitäten in gleichen Abständen voneinander versehen ist, die eine Hauptskalenteilung bilden, wobei nicht mit diesem Massstab in Berührung stehende Glieder vorhanden sind, um die Stelle der Diskontinuitäten zu bestimmen, und weiter ein System zum Messen von Abständen, die kleiner als der Abstand der Diskontinuitäten voneinander sind, vorgesehen ist. Üblicherweise liefert ein einziger hierzu bestimmter Detektor bei einer Diskontinuität nicht eine so scharfe Anzeige, wie zur genauen Bestimmung der Stelle der Diskontinuitäten erforderlich ist.
Ausserdem ergibt sich üblicherweise keine Minderung im Vorzeichen der Ausgangsspannung, die einen Punkt mit einem Signal Null und eine Richtungsanzeige zum Suchen eines solchen Nullpunktes ergeben könnte. Üblicherweise ändert sich die Ausgangsspannung gleichmässig entsprechend der Verteilung der Diskontinuitäten zwischen einem Höchstwert und einem Mindestwert. Deshalb ist es üblich, zwei in einem bestimmten Abstand voneinander am Stab entlang angeordnete Detektoren zu verwenden, derart, dass die Ausgangsspannung des einen einen Höchstwert hat, wenn die des anderen minimal ist.
Sie können in einer Brückenschaltung liegen, deren Ausgangsspannung Null ist, wenn die zwei Ausgangsspannungen untereinander gleich sind. Zwei solche Nullpunkte ergeben sich in Abständen gleich einer Skalenteilung. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nullpunkten hängt vom Abstand der zwei Detektoren voneinander ab. Wenn eine hohe Genauigkeit erfordert wird, ist es schwer, diesen letzteren Abstand so einzustellen, dass aufeinanderfolgende Abstände zwischen Nullpunkten untereinander gleich sind. Wenn ausserdem das System mittels eines Nullanzeigers von Hand so bedient wird, dass je nach dem Vorzeichen des angezeigten Fehlers in der einen oder in der anderen Richtung gesteuert wird, bis das Gleichgewicht sich wiederhergestellt hat, ist Zweifel möglich, weil aufeinanderfolgende Nullpunkte Fehlanzeigen abwechselnden Sinnes geben.
Diese Anzeige ist für die Bedienungsperson irreführend.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Messen von Längen oder Abständen zwischen Gegenständen mit Hilfe eines Massstabes, der mit einer Anzahl in gleichen Abständen voneinander angeordneter, regelmässig verteilter Diskontinuitäten versehen ist, bei der ein erster Detektor, der beim Auftreten einer Diskontinuität eine bestimmte Ausgangsspannung liefert, und ein zweiter, in einem bestimmten Abstand vom ersten angeordneter Detektor vorhanden sind, während Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung des Stabes und der Detektoren vorgesehen sind, wobei die Ausgangsspannungen der Detektoren zum Vergleich miteinander einer Brückenschaltung zugeführt werden und wobei eine Ausgangsspannung der Brücke gleich Null auftritt, wenn die Ausgangsspannungen der Detektoren in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen, während eine Fehlerspannung bestimmter Polarität auftritt,
wenn der Stab und die Detektoren eine abweichende Lage in bezug aufeinander einnehmen, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Detektor vorhanden ist, der durch das Auftreten der Diskontinuitäten eine Spannung liefert, welche gegenüber der Brückenspannung mindestens angenähert um 90" phasenverschoben ist und eine Schaltvorrichtung betätigt, welche den Anzeiger abwechselnd beim Auftreten der Nullagen der Brückenspannung bei einer bestimmten Bewegungsrichtung des Stabes unwirksam macht.
Bei solchen Vorrichtungen wird verhütet, dass abwechselnde Nullpunkte an den Anzeigegliedern erscheinen. Dies hat die Vorteile, dass eine grössere Genauigkeit erzielbar ist, weil die Messgenauigkeit nicht länger vom Abstand der Detektoren voneinander abhängt, und dass bei Bedienung von Hand alle tatsächlich am Anzeiger erscheinenden Nullpunkte Fehler anzeigen im gleichen Sinne, d. h. sie geben alle eine Anzeige, die allmählich von positiv nach negativ oder von rechts nach links durch einen Nullpunkt hindurchgeht, wenn der Massstab und die Detektoren Verschiebungen zueinander in den gleichen Richtungen erfahren. Für die unerwünschten Nullpunkte werden die Anzeigemittel in dem Sinne unwirksam gemacht, dass es nicht länger möglich ist, eine Fehleranzeige zu erhalten, die allmählich kleiner wird, wenn der Stab und die Detektoren sich der Lage eines unerwünschten Nullpunktes nähern.
Die Diskontinuitäten können verschiedenartig sein. Sie können elektrischer Natur (z. B. Änderungen der Leitfähigkeit des Stabes) oder magnetischer Natur (z. B. mehrere im Abstand voneinander angeordnete Pole) sein; sie können auch optische Diskontinuitäten sein, z. B. Sinderungen der Durchlässigkeit oder des Reflexionsvermögens.
Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen zwei Detektoren mit mehreren längs eines Massstabes verteilten Diskontinuitäten zusammenarbeiten. Bei einer bekannten Vorrichtung sind die Diskontinuitäten die aufeinanderfolgenden Gänge einer leitenden schraubenförmigen Oberfläche auf dem Stab, während die Detektoren aus kürzeren, kapazitiv mit dieser Fläche gekoppelten Gewindeflächen bestehen. Nachstehend wird die Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung beschrieben.
In der britischen Patentschrift Nr. 604 382 sind mehrere solche Systeme beschrieben. Bei einigen findet ein Massstab mit einer verhältnismässig langen schraubenförmigen Elektrode Verwendung, die kapazitiv mit zwei bewegbaren, zur Elektrode gleichachsigen kürzeren schraubenförmigen Detektoren (nachstehend als Muttern bezeichnet) gekoppelt ist, die eine gleiche Steigung und einen gleichen Drehsinn haben. Die zwei zwischen den Muttern und der Hauptelektrode auftretenden Kapazitäten sind in eine Brückenschaltung eingeschaltet, die mit Mitteln versehen ist, durch die ein Nullpunkt bestimmt werden kann, wenn die zwei Kapazitäten zwischen den Gewindeflächen sich in der Brücke ausgleichen, wobei der Abstand der Muttern voneinander so gewählt ist, dass die eine Kapazität zunimmt, wenn die andere abnimmt.
Ein derartiges System findet Verwendung, um aufeinanderfolgende Nullpunkte nachzuweisen, wenn den Muttern eine Längsbewegung an der Hauptschraube des Massstabes entlang erteilt wird, wobei der Abstand zwischen den Punkten gleich der Hälfte der Steigung ist. Wenn der mittlere Abstand gleich einem ganzen Vielfachen der Steigungslänge zuzüglich eines Teiles der Steigungslänge ist, lässt sich dieser Teil dadurch bestimmen, dass die Muttern beide gedreht werden, bis sich ein Nullpunkt ergibt, wobei der Teilabstand an einer den Muttern zugeordneten kreisförmigen Skala abgelesen wird. Dieses System hat mehrere Vorteile, insbesondere dass zwischen den Gewindeflächen keine Berührung besteht und somit keine Reibung oder Abnutzung.
Ein weiterer Vorteil ist der, dass, weil die Muttern mehrere Gänge haben, Ungenauigkeiten in der Gestalt der Hauptschraube und der Muttern weitgehend ausgeglichen werden.
In dem in der erwähnten Patentschrift beschriebenen System werden beide bei einer Verschiebung um eine Steigungslänge auftretenden Nullpunkte verwendet, d. h. der Nullpunkt, bei dem die Kapazität einer bestimmten Mutter zunimmt, und der Nullpunkt, bei dem sie abnimmt.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bei einer derartigen Vorrichtung weiter ein Träger vorhanden, an dem die Muttern in einem solchen Abstand voneinander befestigt sind, dass jeder Punkt oder jeder Gang des Gewindes einer Mutter vom entsprechenden Punkt des Gewindes der andern Mutter um einen axialen Abstand entfernt ist, der gleich oder etwa gleich einem ungeraden Vielfachen der halben Steigungslänge ist, wobei die Brücke, in der die Kapazitäten liegen, eine Ausgangsspannung gleich Null liefert, wenn die Kapazitäten bestimmte Werte aufweisen, während eine Fehlerspannung bestimmten Vorzeichens auftritt, wenn die Lage des Stabes in bezug auf die Mutter von der Nulllage abweicht, und wobei die Ausgangsspannungen der Brücke angezeigt werden und ein Diskriminator vorhanden ist, um die Anzeigeglieder in oder in der Nähe von den Nullagen unwirksam zu machen.
Hierbei wird vorzugsweise der Vorteil der bekannten Vorrichtung beibehalten, dass bei einer gegenseitigen Drehung des Stabes und der Mutter um einen Winkel von weniger als 3606 ein Abstand kleiner als die Steigungslänge nachgewiesen werden kann. Der Diskriminator kann auch eine leitende Gewindefläche enthalten (Diskriminatormutter) mit der gleichen Steigung und Drehrichtung wie die anderen Muttern, die kapazitiv mit dem Stab gekoppelt und mit dem Träger in einer derartigen Lage in bezug auf die anderen Muttern fest verbunden ist, dass jeder Punkt jedes Ganges der Gewindefläche sich in einem Abstand vom entsprechenden Punkt eines Ganges einer der anderen Muttern befindet, der gleich oder etwa gleich einem ungeraden Vielfachen von Viertelsteigungslängen ist.
Hierbei lässt sich die Kapazität zwischen dieser Mutter und dem Massstab bestimmen und das Anzeigeglied unwirksam machen, wenn die Kapazität der Diskriminatormutter ihrem Höchstwert oder ihrem Mindestwert nahezu gleich ist.
Die leitenden Gewindeflächen können leitende Überzüge isolierender zylindrischer Glieder sein. Vorzugsweise werden die Gewindeflächen in massiven Metallgliedern gebildet.
Der Massstab kann auch hohl sein, mit der Gewindefläche im Innern, wobei die Muttern innerhalb des Stabes geführt werden. Vorzugsweise liegen die Muttern und der Träger ausserhalb des Stabes, weil die wirksamen Oberflächen der Muttern kürzer als der Stab sind.
Die Elemente des Messgerätes werden verwendet, um die gegenseitige Lage oder Verschiebung zweier Teile zu bestimmen; zu diesem Zweck kann entweder der Stab oder der Träger bewegt werden, während das andere Element stillsteht.
Es sind mehrere Brückenschaltungen möglich, um die Nullagen genau zu bestimmen; mit Rücksicht auf die unvermeidliche Anwesenheit von Streukapazitäten zwischen jedem der Elemente und Erde findet vorzugsweise eine Transformatorbrücke oder Blümleinbrücke Verwendung, wobei diese Kapazitäten berücksichtigt werden. Eine derartige Vorrichtung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.
Die von der Diskriminatormutter erhaltene Information lässt sich auf verschiedene Weisen zum Selektieren abwechselnder Nullagen verwenden. Bei einer Ausführungsform der Erfindung findet eine weitere Transformatorbrücke mit konstanter Kapazität Verwendung; diese ist in den Zweig der Brücke gegenüber der Kapazität der dritten Mutter aufgenommen.
Eine Vorrichtung gemäss der Erfindung kann zum Einstellen eines verschiebbaren Gliedes, z. B. in einer Bohrmaschine für genaue Bearbeitungen, Verwendung finden. Hierbei müssen mit hoher Genauigkeit gradlinige Bewegungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen ausgeführt werden. Die Vorrichtung ist hierbei mit dem Tisch kombiniert, um eine Messung derartiger Bewegungen zu ermöglichen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Teil des Massstabes mit einem Schnitt durch die Muttern und den Träger;
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Detektors und der Anzeigevorrichtung mit einem Schnitt durch einen Teil der Muttern und des Trägers;
Fig. 3 zeigt eine Anzahl graphische Darstellungen mit der Verschiebung als unabhänglichen Ver änderlichen, während
Fig. 4 eine Brückenschaltung mit den Streukapazitäten darstellt.
Die Gewinde haben ein rechteckiges Profil, wobei die Dicke parallel zur Achse gleich dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Gewindegängen in der gleichen Richtung ist. Dies ist vorteilhaft, weil bei Abweichungen von dieser Symmetrie Ungenauigkeit der Nullage auftreten würde.
Die wirksamen Flächen 1 des Massstabes 2 sind kapazitiv mit zwei Messmuttern 3, 4 mit wirksamen Flächen 5, 6 gekuppelt. Diese Muttern sind in einem Träger 7 befestigt und gegeneinander und gegen die Schraube isoliert. Die drei Elemente sind sämtlich gegen Erde isoliert. Der Abstand zwischen dem Gewinde der Mutter 3 und demjenigen der Mutter 4 ist ein ungeradenes Vielfaches der halben Steigungslänge. Wenn sich der Träger längs der Schraube bewegt oder sich um diese dreht, ändern sich die Kapazitäten zwischen dem Stab und den beiden Muttern in Gegenphase von einem Mindestwert bis zu einem Höchstwert. Bei jeder halben Drehung oder halben Steigungslänge werden die Kapazitäten sich gleich.
Der Punkt, bei dem sich diese Kapazitäten gleich werden, wird durch eine Wechselstrombrücke mit einem Transformator 10 mit Mittelanzapfung und einem die Brücke mit Wechselspannung speisenden Oszillator 11 genau bestimmt. Die erste graphische Darstellung (3A) der Fig. 3 stellt die Ausgangswechselspannung der Brücke dar; diese wird von einem phasenempfindlichen Detektor 12 detektiert, so dass sich eine gemäss der Umhüllenden verlaufende Ausgangsspannung ergibt, wie die Kurve 3C darstellt.
Die Nullpunkte A, A' usw. befinden sich in Abständen gleich der Steigung voneinander. Weil jede der Muttern mehrere Gänge enthält, ergibt sich der Vorteil, dass die Fehler in der Länge des Gewindes oder des Stabes in der Mutter ausgeglichen werden.
Dies gilt auch für die Nullpunkte B, B', aber der Abstand zwischen den Nullpunkten A und den Nullpunkten B kann durch Fehler im Abstand zwischen den Muttern 3 und 4 und durch Herstellungsfehler der Flächen 5 und 6 beeinflusst werden; aus diesem Grunde wird nur ein Satz Nullpunkte, und zwar die Nullpunkte A, für die Messung verwendet. Das Auftreten des Satzes unerwünschter Nullpunkte wird dadurch verhütet, dass eine dritte Mutter 14 Verwendung findet. Vom gleichen Oszillator wird eine Wechselspannung zwischen dem Stab und dieser dritten Mutter erzeugt; dies erfolgt mittels einer zweiten Transformatorbrücke 15, in der die dritte Mutter in bezug auf eine konstante Kapazität 16 ausgeglichen wird. Die Ausgangsspannung der Brücke 15 ist in Fig. 3B dargestellt; die entsprechende Umhüllende 3D wird in einem zweiten phasenempfindlichen Detektor 17 abgeleitet.
Die Gänge der zweiten Mutter sind in bezug auf diejenigen der beiden anderen Muttern um Abstände verschoben, die gleich ungeraden Vielfachen der Viertelsteigungslänge sind, so dass jeder Nullpunkt in der Ausgangsspannung der Mutter 14 einem Höchstwert oder einem Mindestwert der Ausgangsspannung des ersten phasenempfindlichen Detektors 12 entspricht. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung der dritten Mutter zum Öffnen des Einganges der Anzeigevorrichtung Anwendung finden, derart, dass jeder zweite Nullpunkt von 3C weitergegeben wird, während die anderen Nullpunkte beseitigt werden.
Dies kann in der in Fig. 2 dargestellten Weise dadurch erfolgen, dass die Ausgangsspannungen in Vor richtungen 18 und 19 in Rechteckspannungen 3E und 3F umgewandelt werden. Die Ausgangsspannung der Vorrichtung 19 ist an einem Relais 20 und einem Umschalter 21 wirksam, der den Anzeiger 22 mit dem Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 12 verbindet. Der Erregungsstrom für den Schalter 21 ist bei 3G dargestellt. In der einen Lage des Schalters ist die Vorrichtung 22 über 18 angeschlossen; wenn somit ein unerwünschter Nullpunkt auftritt, wird die Anzeige rasch umgeschaltet Gleichviel wie langsam die Muttern zur Nullage hin bewegt werden, eine Ausgangsspannung Null tritt nicht auf.
Wenn der Anzeiger von einer Bedienungsperson als Führung für Nullpunkteinstellung verwendet wird, ist dieser Nullpunkt unerreichbar, weil das Messgerät entweder eine volle positive oder eine volle negative Ausgangsspannung zeigt. Dieser Zustand ist bei 3H dargestellt, wo der plötzliche Über- gang der Anzeige angegeben ist, die durch die Wirkung der Vorrichtung zum Erzeugen der Rechteckspannung bei einem unerwünschten Nullpunkt B verursacht wird.
In der anderen Lage des Schalters, wenn das Relais 20 stromlos ist, ist der Anzeiger unmittelbar mit dem Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 12 verbunden, so dass er den allmählichen Übergang von negativ zu positiv angibt, dem man zum Einstellen der Maschine entsprechend den gegebenen Anzeigen links oder rechts (siehe A und A' in 3A) folgen kann.
Die dargestellten Brückenschaltungen enthalten je einen Transformator und sie geben somit eine Anzeige gleicher Kapazität zwischen den beiden Muttern, sogar wenn Streukapazitäten vorhanden sind.
Dies ist in Fig. 4 deutlicher dargestellt, in der C1 und C2 die Kapazitäten der Muttern sind, während die Streukapazitäten des Stabes und der Muttern gegen Erde durch C3, C4 und C5 angegeben sind.
Es können auch mehrfache Gewindeflächen Verwendung finden, wenn nur sämtliche Flächen die gleiche Steigung und die gleiche Gangzahl haben.
Wenn ein n-faches Gewinde mit einer Steigung von p cm Verwendung findet, wiederholt sich die Ausgangswellenform in Abständen von pin cm, während bei einer Verschiebung um p cm 2n Nullpunkte auftreten. In der gleichen Weise wiederholt sich die Wellenform n-mal je Umdrehung der Schraube, wobei 2n Nullpunkte auftreten.
Hinsichtlich der praktischen Ausführungsform hat sich herausgestellt, dass es bei Verwendung von Muttern und einem Stab aus Stahl bei einer Steigung von 2,5 mm erwünscht ist, dass die axiale Tiefe des Gewindes mindestens 0,625 mm ist; Steigerung der Tiefe bis über diesen Wert hat wenig Auswirkung, so dass 1,25 mm ein guter Wert ist. Der Luftspalt zwischen dem Gewinde der Muttern und dem des Stabes kann zwischen 0,05 und 0,125 mm liegen, wobei die Kapazitäten zwischen 50 und 200 pF liegen. Die Änderung dieser Kapazitäten (vom Höchstwert zum Mindestwert) ist etwa 20 o/o, die Kapazität kann zwischen 200 und 160 pF liegen. Die Oszillatorfrequenz kann 25 kIIz betragen, obgleich im Bereich zwischen z. B. 10 und 100 kHz auch andere Frequenzen gewählt werden können, je nach den verwendeten Transformatoren.
Das geschilderte System kann Verwendung finden, um einen Schlitten oder einen Tisch in folgender Weise einzustellen. Der Träger wird am Schlitten oder Tisch befestigt und dreht sich nunmehr, wenn der Vorschub wirksam ist. Wenn somit die Vorschub spindel gedreht wird, um den Schlitten oder Tisch in eine gewünschte Lage einzustellen, erscheinen nacheinander die Nullwerte am Anzeiger. Wenn der gewünschte Nullwert angenähert erreicht ist, wird, wenn angenommen wird, dass die Messungen sich auf einen Bruchteil einer Gewindesteigung beziehen, der Träger frei gelassen, so dass sich die Muttern drehen können. Die Vorschubspindel wird dann noch etwas weiter gedreht, bis das Messgerät eine Nullanzeige liefert.
Man kann auch den Teil des Abstandes anfangs durch Drehung des Trägers einstellen, wonach der Schlitten oder Tisch in einem einzigen Arbeitsgang eingestellt wird, bis ein Nullpunkt bei oder in der Nähe von der gewünschten Grobeinstellung angezeigt wird.
Wenn die Steigung 2,5 mm ist, gibt das Messgerät für A einen Nullpunkt für jede Umdrehung des Trägers oder für jede Verschiebung des Schlittens oder Tisches um 2,5 mm.
Es kann ein Mikrometer vorhanden sein, das für die Winkeleinstellung des Trägers auf einen bestimmten Teilabstand von weniger als 2,5 mm verwendet wird. Auch kann ein solches Gerät Verwendung finden, um die richtige Einstellung des Massstabes zu erhalten.