Gerät zur Stellungsanzeige Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Stellungsanzeige, das ein die Relativlage zweier Ge genstände anzeigendes elektrisches Signal liefert und eine Wechselstrombrücke enthält, von der zwei Zweige aus symmetrischen Wicklungen an gleichen Kernen bestehen, die körperlich mit dem einen der beiden Gegenstände verbunden sind, während der andere Gegenstand körperlich mit einem im magne tischen Einflussbereich dieser Kerne angeordneten Material verbunden ist, das eine Profilierung auf weist.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Lageanzeigeein- richtung, welche mit relativ billigen Einzelteilen her gestellt werden kann, ein grosses Auflösevermögen besitzt, in der Lage ist, ein direkt auswertbares Signal zu erzeugen, dessen Höhe eine Anzeige für die Stel lung bzw.
Lage des Objektes ist, und ferner dazu verwendet werden kann, eine kleine relative Bewe gung zwischen der Anzeigeeinrichtung und einem Objekt zu steuern, welche eine genaue Anzeige der relativen Lage des Objektes bezüglich der Einrich tung ermöglichen soll und die ohne weiteres mit be stehenden Ferngebersystemen bzw. Selsynsystemen verwendet werden kann, ohne dass eine Wechselspan nung mit einer unterschiedlichen Frequenz zugegeben werden müsste.
Bei Steuereinrichtungen, die die Lage von zwei Objekten steuern, wie beispielsweise die relative Lage zwischen dem Werkzeug einer Werkzeugmaschine und dem Werkstück, ist eine genaue Anzeige dieser Lage von ausschlaggebender Bedeutung.
Wenn die Genauigkeit der relativen Lageanzeige sehr gross ist, kann es erforderlich werden, mehrere bekannte Ferngebervorrichtungen zu verwenden, um die relative Lage wiederzugeben. Je grösser jedoch die Zahl der verwendeten Ferngebervorrichtungen ist, um so teurer wird die gesamte Einrichtung. Die Lage anzeigeeinrichtung gemäss der vorliegenden Erfin dung soll nun relativ billig und einfach sein.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das profilierte Material aus einer Mehrzahl von un tereinander gleichen, langgestreckten, zylindrischen Stiften aus ferromagnetischem Werkstoff besteht, die mit parallelen Achsen unter gegenseitiger Berührung nebeneinander angeordnet sind, und d'ass die grösste Querschnittsabmessung der den Stiften zugewendeten Wicklungskernteile, gemessen in einer zur Hüllfläche der Stiftreihe parallelen Fläche und in einer Normal ebene durch die Stiftachsen, ungefähr gleich dem Ra dius der Stifte ist.
Die Erfindung soll anliegend anhand der beilie genden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 das Linienschaltbild einer Lageanzeigeein- richtung, Fig. 2 die Einzelteile des Schaltbildes der Fig. 1, in perspektivischer Darstellung;
wobei einzelne Teile aus Gründen der übersichtlichkeit im Schnitt dar gestellt sind, Fig. 3 eine Seitenansicht der Teile der Fig. 2 zur Erläuterung des Betriebes der gezeigten Teile, Fig. 4 eine Lageanzeigeeinrichtung, die beispiels weise bei Lagesteuersystemen verwendet werden kann, Fig. 5 eine Seitenansicht von einigen Teilen eines weiteren Ausführungsbeispieles und Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageanzeigevorrichtung, die in einer weiteren Lage steuervorrichtung verwendet werden kann.
In den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
Die Lageanzeigeeinrichtung der Fig. 1 enthält eine Brückenschaltung 10. Eine Seite dieser Brücken- Schaltung 10 weist vier in Serie liegende Induktivi- täten oder Spulen 12, 13, 16 und 17 auf, die um Kerne 22, 23, 26 bzw. 27 gewickelt sind. Die vier Spulen 12, 13, 16 und 17 sowie die zugehörigen Kerne 22, 23, 26 und 27 besitzen, soweit dies mög lich ist, gleiche physikalische und elektrische Eigen schaften. Die andere Seite der Brückenschaltung 10 weist eine geeignete Wechselstromquelle auf.
Der Wechselstrom kann von der Sekundärwicklung 32 eines Transformators 30 geliefert werden, dessen Primärwicklung 34 zur Erregung der Brückenschal tung 10 mit einer Wechselstromquelle verbunden ist. Die Verwendung eines Transformators 30 empfiehlt sich deswegen, damit die Sekundärspannung frei ge wählt werden kann und darüber hinaus gegenüber dem Netz eine Isolation gegeben ist. Die Sekundär wicklung 32 besitzt eine Mittelanzapfung 36, die so nah wie irgend möglich bei der elektrischen Mitte der Sekundärwicklung liegt. Die räumliche Anord nung und die Form der Spulen 12, 13, 16 und 17 sowie deren Kerne 22, 23, 26 und 27 geht aus der perspektivischen Darstellung der Fig. 2 hervor.
Die Eisenkerne 22, 23, 26 und 27 können als C-förmig bezeichnet werden; sie sind aus einem magnetischen Material hergestellt, dessen Querschnitt rechteckig ist. Die zwei Kerne 22 und 23 bilden eine erste Kern einheit 21, während die beiden anderen Kerne 26 und 27 eine zweite Kerneinheit 25 bilden. Die beiden Kerne jeder Kerneinheit 21 bzw. 25 sind symmetrisch beidseitig der jeweiligen Kerneinheitsachsen 24 und 28 angeordnet. Die beiden Kerneinheiten 21 und 25 liegen in im wesentlichen parallel zueinander ver laufenden Ebenen. In gleicher Weise verlaufen die Achsen 24 und 28 im wesentlichen parallel zuein ander.
Die Enden der Kerne sind eben und recht eckig und sind relativ zueinander derart angeordnet, dass zwei im wesentlichen gleich grosse Luftspalte in jeder Kerneinheit 21 bzw. 25 gebildet sind. Vor zugsweise sind die vier Luftspalte so ausgebildet, d@ass sie alle gleiche magnetische Eigenschaften aufweisen und symmetrisch zu den Achsen 24 und 28 liegen. Vorzugsweise liegen die Enden der Kerne 22 und 26 an der einen Seite der beiden Achsen. 24 und 28 in einer gemeinsamen Ebene; in gleicher Weise liegen die Enden der Kerne 23 und 27 auf der anderen Seite der Achsen 24 und 28 ebenfalls in einer ge meinsamen Ebene.
Schliesslich sollen die beiden Ebe nen parallel zueinander und parallel zu den Achsen 24 und 28 der beiden Einheiten verlaufen, so dass die beiden Ebenen einen gleichen Abstand von den Achsen 24 und 28 aufweisen. Die Spulen 12 und 13 der ersten Kerneinheit 21 liegen vorzugsweise in Serie zueinander und sind gleichsinnig gewickelt, so dass der von der einen Spule 12 erzeugte Fluss den von der Spule 13 erzeugten Fluss verstärkt. In ähnlicher Weise liegen die Spulen 16 und 17 der zweiten Kern einheit 25 wicklungsmässig und elektrisch in Serie, so dass der von der einen Spule 16 erzeugte Fluss den von der anderen Spule 17 erzeugten Fluss unter stützt.
Die Spulen 12 und 13 der ersten Kerneinheit 25 liegen in Serie zu den Spulen 16 und 17 der zweiten Kerneinheit 25 über einen Ausgleichswider stand 40, der einen beweglichen Abgriffkontakt 42 aufweist, der elektrisch mit dem Widerstand in Ein griff steht und relativ zu diesem verschoben werden kann. Da die Spulen 12, 13, 16 und 17 in Serie liegen und die Sekundärwicklung 32 des Transfor mators 30 parallel zu der Serienverbindung der Spu len 12, 13, 16 und 17 liegt, gelangt die von der Sekundärwicklung 32 abgegebene Spannung zu den Spulen 12, 13, 16 und 17.
Eine für den vorliegenden Zweck geeignete Wechselspannung ist beispielsweise eine Spannung von<B>115</B> Volt und 60 Hz. Eine Speisespannung von 115 Volt und einer Frequenz von 420 Hz oder höher ist hingegen vorzuziehen, da dann einige Schaltelemente räumlich kleiner gehalten werden kön nen. Wenn diese Spannung auf die Primärwicklung 34 übertragen wird, erscheint eine Spannung an der Sekundärwicklung 32 und somit auch an den in Serie zueinander geschalteten Spulen 12, 13, 16 und 17.
Wenn der Mittelabgriff 36 der Sekundärwick lung 32 an dem elektrischen Mittelpunkt der Sekun därwicklung 32 liegt und wenn der bewegliche Kon takt 42 des Ausgleichswiderstandes so liegt, dass die Impedanz einer Spulengruppe 12, 13 und der eine Teil des Ausgleichswiderstandes 40 gleich der Impe danz der anderen Gruppe von Spulen 16, 17 gemein sam mit dem restlichen Teil des Ausgleichswiderstan des 40 ist, dann ist der Spannungsabfall zwischen den Enden der Sekundärwicklung 32 und der Mittel anzapfung 36 bzw. dem beweglichen Kontakt 42 des Ausgleichswiderstandes 40 praktisch gleich der hal ben Gesamtspannung der Sekundärwicklung 32.
Bei den angegebenen Abstimmungs- bzw. Abgleichbe- d@ingungen ist die Spannung des Mittelabgriffes 36 gegenüber irgendeinem gegebenen Punkt gleich der Spannung des beweglichen Kontaktes 42 bezüglich des gleichen Punktes, so dass keine Spannung zwi schen dem Mittelabgriff 36 und dem beweglichen Kontakt 42 existiert.
An den Ausgangsklemmen er scheint somit keine Ausgangssignalspannung. Wenn hingegen die Impedanz irgendeiner Spule 12, 13, 16 und 17 sich ändert, dann wird der Spannungsabfall an der einen Gruppe von Spulen 12, 13 unterschied lich gegenüber dem Spannungsabfall an der anderen Gruppe von Spulen 16, 17, so dass dann der beweg liche Kontakt 42 ein anderes Potential einnimmt als dasjenige, auf welchem sich die Mittelanzapfung 36 befindet. Unter diesen Voraussetzungen erscheint so mit an den Ausgangsklemmen eine Spannung, deren Höhe und Polarität von der relativen Höhe und der Richtung der Impedanzänderung zwischen den bei den Spulengruppen 12, 13 und 16, 17 abhängt.
Die Impedanzänd!erung wird nun durch mehrere zylindrisch geformte Stifte 50 aus magnetischem Ma terial hervorgerufen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 sind die Stifte 50 mittels einer geeigneten Klemm- oder Haltevorrichtung 52 derar- tig befestigt, dass die einzelnen Zylinder in engem Kontakt miteinander stehen und ihre Längsachsen parallel zueinander verlaufen. Die Halterung 52 ist im Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass die Ach sen der Stifte 50 in einer Ebene liegen, d. h. die Ach sen derselben schneiden eine Gerade. Bei den Fig. 2 und 3 erfolgt die Relativbewegung der Stifte 50 zu den Wicklungskerneinheiten 21 und 25 in einer Ebene.
Die Relativbewegung kann auch von einer Geraden abweichen, z. B. auf einem Kreisbogen er folgen. Welche Kurvenform man wählt, richtet sich nach dem jeweiligen Verwendungszweck der Einrich tung. Die von der Klemmvorrichtung 52 gehaltenen Stifte 50 bilden eine Oberfläche, die durch eine Reihe von einander ähnlichen halbkreisförmigen Profilen gebildet ist. Diese Profile sind aus Fig. 3 zu ersehen. Die Stifte 50 sind in der Richtung ihrer Achsen etwas länger als der Abstand zwischen den Enden der Kerne, so dass in allen Luftspalten ein oder zwei Stifte 50 vorhanden sind.
Da die Stifte 50 einerseits und die Kerne 22, 23, 26 und 27 anderseits relativ zueinander bewegt werden, ändert sich der magneti sche Widerstand der Luftspalte in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche der Stifte 50, die sich jeweils in den Luftspalten befindet. Mit der Änderung des magnetischen Widerstandes der Luftspalte ändert sich auch der magnetische Flusswiderstand der Kerne 22, 23, 26 und 27. Diese Änderung des magnetischen Widerstandes ändert auch die Impedanz der Spulen 12, 13, 16 und 17.
Wenn die Impedanz der Spulen 12 und 13 der ersten Spuleneinheit 21 von der Impedanzänderung der Spulen 16 und 17 der zwei ten Kerneinheit 25 abweicht, ist die Brückenschaltung 10 nicht mehr abgeglichen bzw. abgestimmt. Diese Verstimmung bewirkt, d'ass eine Ausgangsspannung abgegeben wird, deren Höhe und Polarität dem Be trag und der Richtung der Verstimmung entspricht. Die Ausgangsspannung kann dazu verwendet wer den, die relative Lage der Stifte 50 einerseits zu den Kernen 22, 23 und den Kernen 26, 27 anderseits zur Anzeige zu bringen.
Das Ausgangssignal, das sich aus einer relativen Bewegung der Stifte 50 zu den Kernen 22, 23, 26 und 27 ergibt, kann viele Formen annehmen. Eine Form, die insbesondere bei Lagesteuersystemen den Vorzug verdient, ist die Sinusform, da die Sinusform häufig bei induktiv arbeitenden Lagesteuereinrichtun- gen verwendet wird. Wenn die Lagesteuereinrichtung eine modulierte Wechselspannung erzeugt, deren Höhe sich gemäss einer Sinuslinie ändert, kann sie ohne weiteres gemeinsam mit Lageanzeigeeinrichtun- gen verwendet werden.
Wenn die Stifte 50 zylindrisch sind, d. h. einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, und wenn die Enden der Kerne 22, 23, 26 und 27 im wesentlichen durch ebene Flächen gebildet wer den und eine rechteckige Form aufweisen, deren Breite der Hälfte des Durchmessers D der Stifte entspricht, dann erzeugt eine relative Bewegung der Stifte 50 gegenüber den Kerneinheiten 21 und 25 der Fig. 2 und 3 eine Ausgangs-Wechselspannung, deren Höhe sich gemäss einer Sinusfunktion bei einer rela tiven Bewegung ändert.
Bei dem Ausführungsbeispiel werden zwei Spu len und zwei Kerne in jeder Kerneinheit verwendet; es ist jedoch auch möglich, eine Spule und einen Kern in jeder Einheit zu verwenden. Die Verwendung von zwei Spulen und zwei Kernen pro Kerneinheit ist jedoch deswegen vorteilhaft, weil der Einfluss einer Bewegung der Stifte quer zu den Kernen herabgesetzt ist, so dass die Genauigkeit der Anzeige und' somit die Qualität der Anzeigeeinrichtung verbessert ist.
Aus Fig. 3 ist zu ersehen, dass die Achse 24 der ersten Kerneinheit 21 um ein ganzzahliges Viel faches des Stiftdurchmessers D plus der Hälfte eines Stiftdurchmessers D von der Achse 28 der zweiten Kerneinheit 25 getrennt ist. Der Abstand entspricht somit - elektrisch gesehen - einem ganzzahligen Vielfachen von 360 Winkelgraden plus 180 Winkel graden. Ein derartiger Abstand ist deswegen vorteil haft, weil die Ausgangsspannung eine maximale Höhe bei den relativen Lagen der Stifte gegenüber den Kerneinheiten 21 und 25 erreicht.
Die relative Lage der Stifte 50 gegenüber den Kernen 22, 23, 26 und 27 in Fig. 3 entspricht der maximalen Verstimmung in der einen Richtung der Brückenschaltung 10. Die dargestellte Lage entspräche Null Winkelgraden. Die maximale Verstimmung ist deswegen gegeben, weil der Luftspalt zwischen den Kernen 22 und' 23 der ersten Kerneinheit 21 ein Minimum erreicht, wäh rend der Luftspalt zwischen den Kernen 26 und 27 der zweiten Kerneinheit 25 eine maximale Grösse erreicht. Für diese relative Lage nimmt die Ausgangs spannung in einer Richtung, beispielsweise in der positiven Richtung, ein Maximum an. Wenn die Kerneinheiten 21 und 25 gegenüber dien Stiften 50 bewegt werden, ändern sich die Abmessungen der Luftspalte.
Wenn die Kerneinheiten 21 und 25 rela tiv zu den Stiften 50 um eine Strecke bewegt wor den sind, die dem vierten Teil eines Stiftdurchmessers bzw. 90 Winkelgraden gegenüber der in Fig. 3 ge zeigten Stellung entspricht, ist der magnetische Wi derstand aller Luftspalte gleich. Als eine Folge hier von wird für diese relative Lage die Ausgangsspan nung praktisch Null.
Wenn die Kerneinheiten 21 und 25 relativ zu den Stiften 50 weiterhin in der gleichen Richtung bewegt werden, erreicht der Luft spalt zwischen den Kernen 22 und 23 der ersten Kerneinheit 21 ein Maximum und der Luftspalt zwi schen den Kernen 26 und 27 der zweiten Kern einheit ein Minimum, und zwar dann, wenn die zurückgelegte Wegstrecke gegenüber der in Fig. 3 gezeigten Lage einem halben Stiftdurchmesser D bzw. 180 Winkelgraden entspricht. In dieser Stellung ist die Brückenschaltung 10 in der anderen Rich tung maximal verstimmt. Die Ausgangsspannung er reicht somit ein Maximum in der anderen Richtung, d. h. bei dem angenommenen Beispiel in der nega tiven Richtung.
Bei einer weiteren relativen Bewe gung in der gleichen Richtung wird die Ausgangs spannung dann Null, wenn der zurückgelegte Weg 3/,r des Stiftdurchmessers D, d. h. 270 Winkelgraden, entspricht. Wenn die zurückgelegte Wegstrecke schliesslich einem gesamten Durchmesser D ent spricht, nehmen die Kerneinheiten 21 und 25 bezüg lich der Stifte 50 wiederum die gleiche Lage ein, die in Fig. 3 gezeigt ist.
Bei dem gezeigten Beispiel wird somit eine Aus gangsspannung erzeugt, deren Höhe und Polarität sich bei einer relativen Bewegung sinusförmig ändert. Die relative Bewegung um einen Stiftdurchmesser D erzeugt eine Ausgangsspannung, die gleich der Span nung eines Ferngebertransformators bzw. eines Sel- syn-Transformators ist, wenn der Rotor eine volle Umdrehung ausführt. Die Ausgangsspannung kann auf verschiedenen Wegen zur relativen Lageanzeige der Stifte 50 bezüglich der Kerneinheiten 21 und 25 verwendet werden.
Bei der gezeigten Einrichtung sind zylindrische Stifte vorgesehen, da Stifte dieser Art leicht und in grossen Mengen mit einem hohen Genauigkeitsgrad hergestellt werden körnen. So können beispielsweise Stifte mit einer Genauigkeit von 0,5 10-6 cm be züglich des Durchmessers leicht und billig hergestellt werden. Abgesehen hiervon sind jedoch auch andere Profile und Formen anwendbar. So können beispiels weise zwei halbkreisförmige Profile dadurch her gestellt werden, dass sie aus einem einzigen festen Materialstück gewonnen werden. Eine derartige An ordnung würde die Notwendigkeit einer dichten Ver bindung der Stifte Seite an Seite ausschliessen.
Die Profile können jedoch auch andere Formen anneh men, wie beispielsweise dreieckige Formen oder von einer Kreislinie abweichende gekrümmte Formen. Schliesslich ist es auch möglich, dass das sich wieder holende Profil nur an einer Seite des Materials auf tritt, während die andere Seite eben bzw. flach ist. In diesem Fall ist es möglich, nur an der Seite Kerne zu verwenden, die ein geformtes Profil auf weist, da offensichtlich Kerne an der flachen bzw. ebenen Seite nicht erforderlich sind. Wie bereits aus geführt, sind in diesem Fall die halbkreisförmigen Profile, die aus zylindrischen Stiften gewonnen wer den können, vorzuziehen, da sie zur Erzeugung einer Spannung geeignet sind, deren Höhe sich sinusför- mig in Abhängigkeit von der relativen Lage ändert.
Mehrere Einrichtungen gemäss dem Ausführungs beispiel der Fig. 1, 2 und 3 wurden hergestellt und erfolgreich in Betrieb gesetzt. Bei einer Ausführungs form wurde eine Spannung von 40 Volt und 420 Hz auf die Spulen der Kerne übertragen. Die jeweiligen Kerne der Kerneinheiten waren so weit voneinander getrennt, dass der Luftspalt etwa 3 mm betrug. Es wurden eine Reihe von Stiften verwendet, deren Durchmesser 2,5 mm betrug. Bei einer relativen Be wegung der Stifte zu den Kerneinheiten wurde eine Ausgangsspannung von 420 Hz an den Ausgangs klemmen gebildet, deren Höhe sich sinusförmig än derte und die sich alle 2,5 mm der relativen Bewe gung wiederholte.
Die Ausgangsspannung erreichte eine maximale Spitzenamplitude von 0,85 Volt, die Genauigkeit änderte sich sinusförmig; sie lag inner halb 0,025 mm relativ zur Lage.
Eine praktische Anwendung der Lageanzeigeein- richtung ist ein Lagesteuersystem, wie es beispiels weise in Fig. 4 gezeigt ist. Bei dem Beispiel sei an genommen, dass das Lagesteuersystem bzw. die Stel- lungsgebereinrichtung einen Werktisch 60 aufweist, der unter einem Werkzeug hindurchbewegt werden soll, welches irgendeinen Bearbeitungsprozess an dem Werkstück ausführt, welches auf dem Werktisch 60 befestigt ist. Der Werktisch 60 wird mittels einer Zahnstange 62 bewegt, die durch ein Ritzel 64 angetrieben ist.
Das Ritzel ist mit einem Motor 66 verbunden, welcher das Ritzel 64 so dreht, dass sich der Werktisch 60 in der gewünschten Richtung be wegt. Der Motor wird von einer Motorsteuereinrich- tung 68 angetrieben, wie es beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 2 764 720 vom 25. Sept. 1956 'beschrieben ist. Die Motorsteuereinrichtung 68 wird mit einem Fehlersignal von einem Diskriminator 70 gespeist. Ein derartiger Diskriminator ist ebenfalls in der angegebenen Patentschrift beschrieben.
Der Diskriminator vergleicht das Signal eines übernahme- stromkreises 72, welcher ebenfalls in der angegebe nen Patentschrift beschrieben ist, mit einem Signal, das von einer geeigneten Wechselstromquelle stammt. Der Diskriminator 70 erzeugt ein Fehlersignal, des sen Höhe proportional zu der Differenz zwischen dem Wechselstromspeisesignal und dem Steuersignal ist, welches von dem Übernahmestromkreis 72 stammt. Der Stromkreis 72 ist in der angegebenen Patentschrift beschrieben und erfüllt die Aufgabe, nacheinander je ein Signal von mehreren Steuersignal quellen auszuwählen.
Ein oder mehrere Steuersignale werden von einem oder mehreren Rotorwicklungen bzw. Rotoren 74 von einem oder mehreren Fern geber- bzw. Selsyn-Transformatoren 76 abgenom men. Ein weiteres Steuersignal wird von einem Ver gleichsstromkreis 78 gewonnen, welcher mit einem Signal von der Brückenschaltung 10 gespeist wird.
Es ist bekannt, dass die Statorwicklungen bzw. die Statoren 79 von dem Ferngeber- bzw. Selsyn-Trans- formator 76 mit vorgegebenen Spannungen gespeist werden können, die einem Programm entsprechen, wobei die Spannungen einer geeigneten Quelle, bei spielsweise einem mit Abgriffen versehenen Trans formator, entnommen werden können. Die Abgriffe, die die Statorwicklungen speisen, können bewegt oder derart geschaltet werden, d'ass die Spannung die ge wünschte Lage des Werktisches 60 anzeigt.
Die Ab griffe des Transformators 80 können mechanisch be wegt oder durch einen Konverter 82 geschaltet wer den, der eingegebene Digitalwerte in Analogsignale umwandelt, die von einem Informationsabnahmegerät 84 stammen. Das Abnahmegerät 84 erfasst die Daten bzw. Informationen, die von einem Datenspeicher 86 stammen, beispielsweise von Lochkarten oder einem Band. Mit dem Rotor 74 ist ein Anzeige zahnrad 88 verbunden, das mit dem Ritzel 64 in Eingriff steht.
Der Selsyn-Transformator 76 arbeitet nun derart, dass der Rotor 74 mit einer Spannung induziert wird, die bei der Übertragung über den Übernahmestromkreis 72, den Diskriminator 70 zu der Motorsteuereinrichtung 68 eine Drehung des Mo tors 66 zur Folge hat, bis an dem Rotor 74 keine Spannung mehr erscheint. Der Werktisch 60 'bewegt sich gleichzeitig in die gewünschte Lage. Die ge zeigte Anordnung stellt somit eine Lagesteuereinrich- tung bzw. eine Stellungsgebereinrichtung für den Werktisch 60 dar.
Es sei darauf hingewiesen, dass mehr als ein Selsyn-Transformator 76 verwendet wer den kann, beispielsweise mehrere Selsyn-Einrichtun- gen, wie dies in der oben angegebenen Patentschrift beschrieben ist. Wenn der Motor 66 das Ritzel 64 und somit auch das Anzeigezahnrad 88, welches den Rotor 74 antreibt, in eine Lage gedreht hat, in wel cher der Rotor 74 höchstens eine sehr geringe Span nung abgibt, wählt der Übernahmestromkreis 72 die Spannung aus, die von dem Vergleichsstromkreis 78 stammt.
Ein derartiger Stromkreis ist allgemein be kannt und kann verschiedene Formen annehmen, wie beispielsweise aus den Seiten 335 bis 336 der Waveforms , Band 19 der Radiation Laboratory Series , 1. Auflage, veröffentlicht 1949 bei Mc Graw Hill Book Comp. Inc., hervorgeht.
Der Vergleichs stromkreis 78 erzeugt eine Spannung, die eine An zeige für den relativen Wert der Spannung ist, die durch die Brückenschaltung 10 und eine vorgegebene Spannung gegeben ist, die dem Speisetransforamtor 80 entnommen werden kann. Die vorgegebene Span nung entspricht ebenfalls dem vorgegebenen Pro gramm und zeigt bezüglich der Brückenschaltung 10 und der Stifte 50 die gewünschte Lage des Werk tisches 60 an.
Die Differenz zwischen der Spannung der Brückenschaltung 10 und der vorgegebenen Spannung wird auf den Übernahmestromkreis 72 übertragen und gelangt über den Diskriminator 70 zu der Motorsteuereinrichtung 68 und schliesslich zu dem Motor 66, welcher das Ritzel 64 dreht und den Werktisch 60 somit so lange verschiebt, bis durch die Stifte 50, die mit der Brückenschaltung 10 zu sammenwirken, eine im wesentlichen gleiche Span nung wie die vorgegebene Spannung hervorgerufen wird. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, gelangt kein weiteres Steuersignal zu dem Motor 66, so dass die Steuereinrichtung zur Ruhe kommt.
Nachdem der Arbeitsvorgang abgeschlossen ist, können neue Span nungen der Sekundärwicklung des Speisetransforma tors 80 entnommen werden, die den Werktisch 60 in eine neue Lage bewegen.
Die Anwendung der Lageanzeigeeinrichtung ist im Zusammenhang mit Fig. 4 anhand einer Stellungs- gebereinrichtung beschrieben worden, die eine Bewe gung nur in einer Geraden zulässt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Lageanzeigeeinrichtung in gleicher Weise bei Stellungsgebereinrichtungen ver wendet werden kann, welche Bewegungen in mehr als einer Richtung zulassen. Ein Beispiel hierfür ist ein System, bei welchem ein Objekt in beiden hori zontalen und in der vertikalen Richtung bewegt wird.
Es ist allgemein bekannt, dass eine Sinuslinie eine relativ kleine Neigung in den Gebieten der Richtungs umkehr, d. h. an den Spitzen, aufweist. Bei der Posi- tionsgebereinrichtung des beschriebenen Typs bedingt dies, dass die Spannung des sinusförmigen Ausgangs signals der Brückenschaltung 10 sich für eine relativ grosse Bewegung zwischen den Stiften und den Ker nen nur geringförmig in diesen Gebieten verändert. Eine Folge hiervon ist, dass die Lageanzeige durch ein derartiges Signal nicht so genau wie erwünscht sein kann.
Die Genauigkeit kann durch die Verwen dung eines Lagegebersystems verbessert werden, wel ches eine Motorsteuereinrichtung aufweist, die den, Motor in Abhängigkeit von der Phase eines. Steuer signals antreibt. Ein Steuersignal, dessen Phase die relative Lage anzeigt, kann durch die Verwendung zweier vollständiger Brückenschaltungen 10 des in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Typs gewonnen werden. Jede Brückenschaltung enthält zwei Kerneinheiten 21, 25 und 21', 25' und vier Spulen 12, 13, 16, 17 bzw. 12', 13', 16', 17', die angeordnet sind, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht.
Die einander benachbar ten Kerneinheiten 25 und 21' sind um eine Strecke voneinander entfernt, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Stiftdurchmessers D plus dem vierten Teil eines Stiftdurchmessers D ist, d. h. einer Entfer nung, die - elektrisch gesehen - durch ein ganzzah- liges Vielfaches von 360 Winkelgraden plus 90 Win kelgraden gegeben ist. Eine Brückenschaltung wird durch eine Speisespannung gegebener Phase erregt, während die andere Brückenschaltung durch eine Spannung erregt werden kann, deren Phase dbrjeni- gen Phase der ersten Brückenschaltung um 90 Grad vor- oder nacheilt.
Die Ausgangssignale der beiden Brückenschaltungen können zu einem Signal vereinigt werden, dessen Höhe im wesentlichen konstant bleibt; aber dessen Phase sich in Abhängigkeit von der relativen Lage der Stifte und der beiden Brücken schaltungen zueinander ändert. Die Phase durchläuft dabei bei einer relativen Bewegung um einen Stift durchmesser 360 Grad. Die Phase ändert sich dabei linear mit der Bewegung; die beschriebene Lagean- zeigeeinrichtung kann somit gemeinsam mit Stellungs- gebersystemen verwendet werden, bei denen die ge wünschte Stellung durch eine Phase gegeben ist.
Eine praktische Anwendung der gerade beschrie benen Lageanzeigevorrichtung ist mit dem Steuer system der Fig. 6 gegeben. Die nicht einen Teil der Lageanzeigeeinrichtung bildenden Bestandteile sind allgemein bekannt und beispielsweise in der US-Pa- tentschrift Nr. 2 866145 vom 23. Dezember 1958 beschrieben. Das System kann einen Werktisch 60 aufweisen, welcher in der angezeigten Richtung be wegt werden kann.
Der Werktisch 60 kann in gleicher Weise bewegt werden, wie dies anhand von Fig. 4 erläutert wurde, d. h. mittels einer Zahnstange 62, die mit einem Ritzel 64 in Eingriff steht, das von einem Motor 66 angetrieben ist. Der Motor wird dabei durch Signale betrieben, die von einer Motorsteuereinrichtung 68 stammen, wie dies bereits anhand von Fig. 4 er läutert worden ist. Wie bereits zu der Fig. 5 aus geführt wurde, kann ein Signal konstanter Ampli tude gewonnen werden, dessen Phase sich in Abhän gigkeit von der relativen Lage der Stifte 50 zu den beiden Brückenschaltungen 10 und 10' ändert.
Wie bereits ausgeführt, enthalten die beiden Brückenschal tungen 10 und 10' je zwei vollständige Kerneinheiten 21, 25 und 21', 25' mit den jeweiligen Spulen. Die Brückenschaltungen 10 und 10' werden durch Span nungen erregt, die um 90 Grad gegeneinander pha senverschoben sind. Diese Spannungen werden dem Brückenspeisegerät 90 entnommen. Das Gerät 90 erzeugt zwei oder mehr Spannungen, die eine vor gegebene Phasenbeziehung, im vorliegenden Fall 90 Grad, gegeneinander aufweisen, in Abhängigkeit von einem einzigen Eingangssignal. Ein Speisegerät dieser Art ist beispielsweise in der oben erwähnten Patentschrift beschrieben. Das Gerät 90 wird mit einem Signal gespeist, welches einem Bezugskanal eines geeigneten Speichermediums 92, wie beispiels weise eines Bandes, entnommen wird.
Das Signal des Bezugskanals wird durch eine geeignete Abtast- vorrichtung 93 erfasst, in einem Verstärker 94 ver stärkt und anschliessend dem Brückenspeisegerät 90 zugeführt. Die Ausgangssignale der Brückenstrom kreise 10 und 10' werden kombiniert und stellen ein Ausgangssignal mit konstanter Amplitude dar, dessen Phase sich in Abhängigkeit von der relativen Lage der Brückenschaltungen 10, 10' und der Stifte 50 ändert.
Wie bereits anhand von Fig. 5 erläutert wurde, sind die Spulen und Kerneinheiten der jewei ligen Brückenschaltungen 10, 10' um eine vorgege bene Strecke voneinander entfernt. Das Ausgangs signal der Brückenschaltungen 10 und 10' gelangt zu einem Phasendiskriminator 95, welcher die relative Phase des Signals von den Brückenschaltungen 10 und 10' mit der Phase eines Signals vergleicht, das von dem Signalkanal des Speichermediums 92 ent nommen wird. Der Signalkanal speichert die Infor mationen für den Vorgang. Das Signal wird durch eine Abtastvorrichtung 96 erfasst, in dem Verstärker 97 verstärkt und dem Diskriminator 95 zugeführt.
Der Diskriminator 95 vergleicht die Phase des Signals von dem Signalkanal des Speichermediums 92 und erzeugt ein Ausgangssignal, welches die Zahlendif ferenz anzeigt. Dieses Ausgangssignal besitzt die Ei genschaften, die erforderlich sind, um die Motor steuereinrichtung 68 mit der erforderlichen Informa tion zu versehen, so dass der Motor 66 das Ritzel 64 derart antreibt, dass der Werktisch 60 in eine Lage geführt wird, die dem Signal entspricht, wel ches dem Signalkanal entnommen worden ist.
Wenn der Werktisch 60 die Lage erreicht hat, die von dem Signal des Signalkanals gefordert wird, erzeugt der Diskriminator 95 kein Ausgangssignal mehr, so dass der Motor 66 anhält. Wie bereits ausgeführt, ist ein System, bei welchem Selsyn-Einrichtungen anstelle von Lageanzeigeeinrichtungen verwendet werden, bekannt. Es sei in diesem Zusammenhang nochmals auf die US-Patentschrift Nr. 2 866 145 verwiesen, in der ein derartiges System mehr im einzelnen dar gestellt ist.
Wie bereits anhand von Fig. 4 erläutert worden ist, kann die gezeigte Lageanzeigeeinrichtung, beispielsweise gemäss Fig. 6, auch zum Erfassen einer Bewegung in mehreren Richtungen verwendet wer den.
Es ist zu ersehen, dass die gezeigten Lageanzeige einrichtungen aus Einzelteilen bestehen, die relativ billig sind und' leicht mit grosser Genauigkeit her gestellt werden können. Die beschriebenen Lagean- zeigeeinrichtungen können ohne weiteres mit beste henden Selsyn-Systemen verwendet werden und kön nen sogar mit diesen zusammenarbeiten sowie diese entweder ganz oder teilweise ersetzen. Neben der grossen Genauigkeit und den billigen Herstellungsko sten weisen die gezeigten Lageanzeigeeinrichtungen den Vorteil auf, dass die gegeneinander bewegten Teile sich nicht berühren, so dass Ungenauigkeiten zufolge von Abnützungen der miteinander in Kontakt kommenden Teile ausgeschlossen sind.
The present invention relates to a position indicator device which supplies an electrical signal indicating the relative position of two objects and contains an alternating current bridge, of which two branches consist of symmetrical windings on the same cores that are physically connected to one of the two objects , while the other object is physically connected to a material arranged in the magnetic area of influence of these cores, which material has a profile.
The purpose of the present invention is to create an improved position display device which can be made with relatively cheap individual parts, has a high resolution, is able to generate a directly evaluable signal, the height of which is an indication of the position or.
The position of the object is, and can also be used to control a small relative movement between the display device and an object, which is intended to enable an accurate display of the relative position of the object with respect to the device and which can easily be with existing remote control systems or .Selsyn systems can be used without an alternating voltage having to be added with a different frequency.
In the case of control devices that control the position of two objects, such as the relative position between the tool of a machine tool and the workpiece, an accurate display of this position is of crucial importance.
If the accuracy of the relative position display is very high, it may be necessary to use several known teletransmitter devices in order to reproduce the relative position. However, the greater the number of remote transmitter devices used, the more expensive the entire facility becomes. The position display device according to the present invention should now be relatively cheap and simple.
The invention is characterized in that the profiled material consists of a plurality of identical, elongated, cylindrical pins made of ferromagnetic material, which are arranged with parallel axes in mutual contact, and the largest cross-sectional dimension of the winding core parts facing the pins , measured in a surface parallel to the envelope surface of the row of pins and in a normal plane through the pin axes, is approximately equal to the radius of the pins.
The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings, for example. In detail: FIG. 1 shows the line circuit diagram of a position display device; FIG. 2 shows the individual parts of the circuit diagram of FIG. 1 in a perspective illustration;
individual parts are shown in section for the sake of clarity, Fig. 3 is a side view of the parts of Fig. 2 to explain the operation of the parts shown, Fig. 4 is a position indicator that can be used, for example, in position control systems, Fig. 5 a side view of some parts of a further exemplary embodiment; and FIG. 6 a further exemplary embodiment of a position display device which can be used in a further position control device.
In the different figures, the same reference symbols denote the same parts.
The position display device of FIG. 1 contains a bridge circuit 10. One side of this bridge circuit 10 has four inductors or coils 12, 13, 16 and 17 in series, which are wound around cores 22, 23, 26 and 27, respectively . The four coils 12, 13, 16 and 17 and the associated cores 22, 23, 26 and 27 have, as far as possible, please include the same physical and electrical properties. The other side of the bridge circuit 10 has a suitable AC power source.
The alternating current can be supplied from the secondary winding 32 of a transformer 30, the primary winding 34 of which is connected to an alternating current source for energizing the bridge circuit 10. The use of a transformer 30 is recommended so that the secondary voltage can be freely selected and, in addition, there is isolation from the network. The secondary winding 32 has a center tap 36 which is as close as possible to the electrical center of the secondary winding. The spatial arrangement and the shape of the coils 12, 13, 16 and 17 and their cores 22, 23, 26 and 27 can be seen from the perspective view of FIG.
The iron cores 22, 23, 26 and 27 can be referred to as C-shaped; they are made of a magnetic material whose cross-section is rectangular. The two cores 22 and 23 form a first core unit 21, while the other two cores 26 and 27 form a second core unit 25. The two cores of each core unit 21 and 25 are arranged symmetrically on both sides of the respective core unit axes 24 and 28. The two core units 21 and 25 lie in planes running essentially parallel to one another. In the same way, the axes 24 and 28 are essentially parallel to each other.
The ends of the cores are flat and rectangular and are arranged relative to one another in such a way that two essentially equally large air gaps are formed in each core unit 21 and 25, respectively. The four air gaps are preferably designed so that they all have the same magnetic properties and are symmetrical to the axes 24 and 28. Preferably, the ends of the cores 22 and 26 are on one side of the two axes. 24 and 28 in a common plane; in the same way, the ends of the cores 23 and 27 on the other side of the axes 24 and 28 are also in a common plane.
Finally, the two planes should run parallel to one another and parallel to the axes 24 and 28 of the two units, so that the two planes are at the same distance from the axes 24 and 28. The coils 12 and 13 of the first core unit 21 are preferably in series with one another and are wound in the same direction, so that the flux generated by the one coil 12 amplifies the flux generated by the coil 13. In a similar way, the coils 16 and 17 of the second core unit 25 are wound and electrically in series, so that the flux generated by one coil 16 supports the flux generated by the other coil 17.
The coils 12 and 13 of the first core unit 25 are in series with the coils 16 and 17 of the second core unit 25 via a compensating resistor 40 which has a movable tap contact 42 which is electrically in contact with the resistor and is moved relative to this can. Since the coils 12, 13, 16 and 17 are in series and the secondary winding 32 of the transformer 30 is parallel to the series connection of the Spu len 12, 13, 16 and 17, the voltage delivered by the secondary winding 32 reaches the coils 12, 13, 16 and 17.
An alternating voltage suitable for the present purpose is, for example, a voltage of 115 volts and 60 Hz. On the other hand, a supply voltage of 115 volts and a frequency of 420 Hz or higher is preferable because some switching elements are then kept spatially smaller can. When this voltage is transferred to the primary winding 34, a voltage appears on the secondary winding 32 and thus also on the coils 12, 13, 16 and 17 connected in series with one another.
If the center tap 36 of the secondary winding 32 is at the electrical midpoint of the secondary winding 32 and if the movable contact 42 of the balancing resistor is so that the impedance of a coil group 12, 13 and one part of the balancing resistor 40 is equal to the impedance of the other Group of coils 16, 17 is common sam with the remaining part of the compensation resistor 40, then the voltage drop between the ends of the secondary winding 32 and the center tap 36 or the movable contact 42 of the compensation resistor 40 is practically equal to half the total voltage of the secondary winding 32.
With the specified tuning conditions, the voltage of the center tap 36 with respect to any given point is equal to the voltage of the movable contact 42 with respect to the same point, so that there is no voltage between the center tap 36 and the movable contact 42.
There appears to be no output signal voltage at the output terminals. If, on the other hand, the impedance of any coil 12, 13, 16 and 17 changes, then the voltage drop across one group of coils 12, 13 is different from the voltage drop across the other group of coils 16, 17, so that the movable one Contact 42 assumes a different potential than that on which the center tap 36 is located. Under these conditions, a voltage appears at the output terminals, the level and polarity of which depends on the relative level and direction of the change in impedance between the coil groups 12, 13 and 16, 17.
The change in impedance is now brought about by a plurality of cylindrically shaped pins 50 made of magnetic material. In the embodiment of FIGS. 2 and 3, the pins 50 are fastened by means of a suitable clamping or holding device 52 in such a way that the individual cylinders are in close contact with one another and their longitudinal axes run parallel to one another. In the exemplary embodiment, the holder 52 is designed so that the axes of the pins 50 lie in one plane, i.e. H. their axes intersect a straight line. In FIGS. 2 and 3, the relative movement of the pins 50 to the winding core units 21 and 25 takes place in one plane.
The relative movement can also deviate from a straight line, e.g. B. he follow on an arc. Which curve shape you choose depends on the intended use of the facility. The pins 50 held by the clamp 52 define a surface formed by a series of similar semicircular profiles. These profiles can be seen from FIG. 3. The pins 50 are slightly longer in the direction of their axes than the distance between the ends of the cores so that there are one or two pins 50 in all of the air gaps.
Since the pins 50 on the one hand and the cores 22, 23, 26 and 27 on the other hand are moved relative to each other, the magneti cal resistance of the air gap changes depending on the cross-sectional area of the pins 50, which is located in the air gaps. With the change in the magnetic resistance of the air gaps, the magnetic flux resistance of the cores 22, 23, 26 and 27 also changes. This change in the magnetic resistance also changes the impedance of the coils 12, 13, 16 and 17.
If the impedance of the coils 12 and 13 of the first coil unit 21 differs from the impedance change of the coils 16 and 17 of the two th core unit 25, the bridge circuit 10 is no longer balanced or tuned. This detuning has the effect that an output voltage is emitted, the level and polarity of which corresponds to the amount and the direction of the detuning. The output voltage can be used to who to bring the relative position of the pins 50 on the one hand to the cores 22, 23 and the cores 26, 27 on the other hand to display.
The output resulting from relative movement of the pins 50 to the cores 22, 23, 26 and 27 can take many forms. A shape that deserves preference in particular in position control systems is the sinusoidal shape, since the sinusoidal shape is often used in inductively operating position control devices. If the position control device generates a modulated alternating voltage, the level of which changes in accordance with a sinusoidal line, it can easily be used together with position display devices.
When the pins 50 are cylindrical, i. H. have a circular cross-section, and if the ends of the cores 22, 23, 26 and 27 are formed by substantially flat surfaces and have a rectangular shape, the width of which is half the diameter D of the pins, then produces a relative movement of the pins 50 with respect to the core units 21 and 25 of FIGS. 2 and 3, an output alternating voltage, the level of which changes according to a sine function with a rela tive movement.
In the embodiment, two coils and two cores are used in each core unit; however, it is also possible to use a coil and a core in each unit. However, the use of two coils and two cores per core unit is advantageous because the influence of a movement of the pins transversely to the cores is reduced, so that the accuracy of the display and thus the quality of the display device is improved.
It can be seen from FIG. 3 that the axis 24 of the first core unit 21 is separated from the axis 28 of the second core unit 25 by an integral multiple of the pin diameter D plus half of a pin diameter D. The distance thus corresponds - from an electrical point of view - to an integral multiple of 360 degrees plus 180 degrees. Such a distance is advantageous because the output voltage reaches a maximum level at the relative positions of the pins with respect to the core units 21 and 25.
The relative position of the pins 50 with respect to the cores 22, 23, 26 and 27 in FIG. 3 corresponds to the maximum detuning in one direction of the bridge circuit 10. The position shown would correspond to zero degrees. The maximum detuning is given because the air gap between the cores 22 and 23 of the first core unit 21 reaches a minimum, while the air gap between the cores 26 and 27 of the second core unit 25 reaches a maximum size. For this relative position, the output voltage assumes a maximum in one direction, for example in the positive direction. When the core units 21 and 25 are moved relative to the pins 50, the dimensions of the air gaps change.
When the core units 21 and 25 relative to the pins 50 are moved by a distance which corresponds to the fourth part of a pin diameter or 90 degrees from the position shown in Fig. 3, the magnetic resistance of all air gaps is the same. As a consequence of this, the output voltage becomes practically zero for this relative position.
If the core units 21 and 25 continue to move in the same direction relative to the pins 50, the air gap between the cores 22 and 23 of the first core unit 21 reaches a maximum and the air gap between the cores 26 and 27 of the second core unit Minimum when the distance covered compared to the position shown in FIG. 3 corresponds to half a pin diameter D or 180 degrees. In this position, the bridge circuit 10 is maximally detuned in the other direction. The output voltage thus reaches a maximum in the other direction, i. H. in the assumed example in the negative direction.
With a further relative movement in the same direction, the output voltage is then zero when the distance covered is 3 /, r of the pin diameter D, i. H. 270 degrees. When the distance covered finally corresponds to a total diameter D, the core units 21 and 25 take up again the same position with respect to the pins 50, which is shown in FIG.
In the example shown, an output voltage is thus generated, the level and polarity of which changes sinusoidally with a relative movement. The relative movement around a pin diameter D generates an output voltage which is equal to the voltage of a teletransmitter transformer or a Selyn transformer when the rotor rotates one full turn. The output voltage can be used to indicate the relative position of the pins 50 with respect to the core units 21 and 25 in a number of ways.
In the device shown, cylindrical pins are provided because pins of this type can be easily produced in large quantities with a high degree of accuracy. For example, pins with an accuracy of 0.5 10-6 cm with respect to the diameter can be produced easily and cheaply. Apart from this, however, other profiles and shapes can also be used. For example, two semicircular profiles can be made here by being obtained from a single solid piece of material. Such an arrangement would eliminate the need for a tight connection of the pins side by side.
However, the profiles can also assume other shapes, such as triangular shapes or curved shapes deviating from a circular line. Finally, it is also possible that the recurring profile occurs only on one side of the material, while the other side is even or flat. In this case it is possible to use cores only on the side that has a shaped profile, since cores are obviously not required on the flat or planar side. As already stated, in this case the semicircular profiles, which can be obtained from cylindrical pins, are to be preferred, since they are suitable for generating a voltage whose height changes sinusoidally as a function of the relative position.
Several devices according to the embodiment of FIGS. 1, 2 and 3 have been manufactured and successfully put into operation. In one embodiment, a voltage of 40 volts and 420 Hz was transmitted to the coils of the cores. The respective cores of the core units were separated from one another so far that the air gap was about 3 mm. A number of pins 2.5 mm in diameter were used. When the pins moved relative to the core units, an output voltage of 420 Hz was formed at the output terminals, the height of which changed sinusoidally and which was repeated every 2.5 mm of the relative movement.
The output voltage reached a maximum peak amplitude of 0.85 volts, the accuracy changed sinusoidally; it was within 0.025 mm relative to the position.
A practical application of the position display device is a position control system such as that shown in FIG. 4, for example. In the example, it is assumed that the position control system or the position transmitter device has a work table 60 that is to be moved under a tool that carries out some machining process on the workpiece that is fastened on the work table 60. The work table 60 is moved by means of a rack 62 which is driven by a pinion 64.
The pinion is connected to a motor 66 which rotates the pinion 64 so that the work table 60 moves in the desired direction. The motor is driven by a motor controller 68 such as that described in US Pat. No. 2,764,720 dated Sept. 25, 1956 '. The motor control device 68 is fed with an error signal from a discriminator 70. Such a discriminator is also described in the specified patent.
The discriminator compares the signal from a takeover circuit 72, which is also described in the specified patent specification, with a signal which comes from a suitable alternating current source. The discriminator 70 generates an error signal, the magnitude of which is proportional to the difference between the alternating current feed signal and the control signal which originates from the transfer circuit 72. The circuit 72 is described in the specified patent and fulfills the task of successively selecting a signal from several control signal sources.
One or more control signals are taken from one or more rotor windings or rotors 74 from one or more remote transmitter or Selsyn transformers 76. Another control signal is obtained from a comparative circuit 78, which is fed with a signal from the bridge circuit 10.
It is known that the stator windings or the stators 79 can be fed with predetermined voltages from the teletransmitter or Selsyn transformer 76, which correspond to a program, the voltages from a suitable source, for example a Trans formator. The taps that feed the stator windings can be moved or switched in such a way that the voltage indicates the desired position of the worktable 60.
The taps of the transformer 80 can be moved mechanically or switched by a converter 82 that converts the input digital values into analog signals that come from an information acquisition device 84. The acceptance device 84 records the data or information that originate from a data memory 86, for example from punch cards or a tape. With the rotor 74, a display gear 88 is connected, which is with the pinion 64 in engagement.
The Selsyn transformer 76 now works in such a way that the rotor 74 is induced with a voltage which, when transmitted via the transfer circuit 72, the discriminator 70 to the motor control device 68, causes the motor 66 to rotate up to the rotor 74 tension no longer appears. The work table 60 'moves simultaneously into the desired position. The arrangement shown thus represents a position control device or a position transmitter device for the workbench 60.
It should be pointed out that more than one Selsyn transformer 76 can be used, for example several Selsyn devices, as is described in the patent specified above. When the motor 66 has rotated the pinion 64 and thus also the display gear wheel 88, which drives the rotor 74, into a position in which the rotor 74 outputs at most a very low voltage, the transfer circuit 72 selects the voltage from the comparison circuit 78 originates.
Such a circuit is generally known and can take various forms, such as from pages 335 to 336 of Waveforms, Volume 19 of the Radiation Laboratory Series, 1st Edition, published in 1949 by Mc Graw Hill Book Comp. Inc. emerges.
The comparison circuit 78 generates a voltage which is an indication of the relative value of the voltage which is given by the bridge circuit 10 and a predetermined voltage which can be taken from the feed transformer 80. The specified voltage also corresponds to the specified program and shows the desired position of the work table 60 with respect to the bridge circuit 10 and the pins 50.
The difference between the voltage of the bridge circuit 10 and the predetermined voltage is transmitted to the transfer circuit 72 and passes via the discriminator 70 to the motor control device 68 and finally to the motor 66, which rotates the pinion 64 and thus moves the workbench 60 until by the pins 50, which cooperate with the bridge circuit 10, a voltage substantially the same as the predetermined voltage is caused. If this condition is met, no further control signal reaches the motor 66, so that the control device comes to rest.
After the operation is complete, new voltages can be taken from the secondary winding of the feed transformer 80, which move the workbench 60 into a new position.
The use of the position display device has been described in connection with FIG. 4 using a position transmitter device which only allows movement in a straight line. It should be noted, however, that the position display device can be used in the same way with position transmitter devices which allow movements in more than one direction. An example of this is a system in which an object is moved in both the horizontal and vertical directions.
It is well known that a sinusoid has a relatively small slope in the areas of reversal of direction, i.e. H. at the tips. In the case of the position transmitter device of the type described, this means that the voltage of the sinusoidal output signal of the bridge circuit 10 changes only slightly in these areas for a relatively large movement between the pins and the cores. A consequence of this is that the position indication by such a signal may not be as accurate as desired.
The accuracy can be improved by using a position encoder system which has a motor control device that controls the motor as a function of the phase of a. Control signal drives. A control signal whose phase indicates the relative position can be obtained by using two complete bridge circuits 10 of the type shown in FIGS. 1, 2 and 3. Each bridge circuit contains two core units 21, 25 and 21 ', 25' and four coils 12, 13, 16, 17 or 12 ', 13', 16 ', 17', which are arranged as shown in FIG.
The adjacent core units 25 and 21 'are spaced apart by a distance equal to an integral multiple of the pin diameter D plus a fourth part of a pin diameter D, i.e. H. a distance that - from an electrical point of view - is given by an integer multiple of 360 degrees plus 90 degrees. One bridge circuit is excited by a supply voltage of a given phase, while the other bridge circuit can be excited by a voltage whose phase leads or lags that of the first bridge circuit by 90 degrees.
The output signals of the two bridge circuits can be combined into one signal, the level of which remains essentially constant; but its phase changes depending on the relative position of the pins and the two bridge circuits to each other. The phase runs through 360 degrees with a relative movement of a pin. The phase changes linearly with the movement; the position display device described can thus be used together with position transmitter systems in which the desired position is given by a phase.
A practical application of the position indicator just described is given with the control system of FIG. The components that do not form part of the position indicator are generally known and are described, for example, in US Pat. No. 2,866,145 of December 23, 1958. The system may include a work table 60 which can be moved in the indicated direction.
The work table 60 can be moved in the same way as was explained with reference to FIG. H. by means of a rack 62 which is in engagement with a pinion 64 which is driven by a motor 66. The motor is operated by signals that originate from a motor control device 68, as has already been explained with reference to FIG. As has already been explained in relation to FIG. 5, a signal of constant amplitude can be obtained, the phase of which changes as a function of the relative position of the pins 50 to the two bridge circuits 10 and 10 '.
As already stated, the two bridge circuits 10 and 10 'each contain two complete core units 21, 25 and 21', 25 'with the respective coils. The bridge circuits 10 and 10 'are energized by voltages that are phase shifted by 90 degrees from one another. These voltages are taken from the bridge supply device 90. The device 90 generates two or more voltages that have a given phase relationship, in the present case 90 degrees, against each other, depending on a single input signal. A feed device of this type is described, for example, in the above-mentioned patent specification. The device 90 is fed with a signal which is taken from a reference channel of a suitable storage medium 92, such as a tape.
The signal of the reference channel is detected by a suitable scanning device 93, amplified in an amplifier 94 and then fed to the bridge supply device 90. The output signals of the bridge circuits 10 and 10 'are combined and represent an output signal with a constant amplitude, the phase of which changes depending on the relative position of the bridge circuits 10, 10' and the pins 50.
As has already been explained with reference to FIG. 5, the coils and core units of the respective bridge circuits 10, 10 'are spaced from one another by a predetermined distance. The output signal of the bridge circuits 10 and 10 'reaches a phase discriminator 95, which compares the relative phase of the signal from the bridge circuits 10 and 10' with the phase of a signal that is taken from the signal channel of the storage medium 92 ent. The signal channel stores the information for the process. The signal is detected by a sampling device 96, amplified in the amplifier 97 and fed to the discriminator 95.
The discriminator 95 compares the phase of the signal from the signal channel of the storage medium 92 and generates an output signal indicating the number difference. This output signal has the properties that are required to provide the motor control device 68 with the necessary informa tion so that the motor 66 drives the pinion 64 in such a way that the work table 60 is guided into a position that corresponds to the signal, which has been taken from the signal channel.
When the work table 60 has reached the position required by the signal of the signal channel, the discriminator 95 no longer generates an output signal, so that the motor 66 stops. As already stated, a system in which Selsyn devices are used instead of position indicators is known. In this context, reference is again made to US Pat. No. 2,866,145, in which such a system is presented in more detail.
As has already been explained with reference to FIG. 4, the position display device shown, for example according to FIG. 6, can also be used to detect a movement in several directions.
It can be seen that the position display devices shown consist of individual parts that are relatively cheap and 'can be easily made with great accuracy. The position display devices described can easily be used with existing Selsyn systems and can even work together with them and replace them either entirely or in part. In addition to the great accuracy and the cheap manufacturing costs, the position indicators shown have the advantage that the parts moving against one another do not touch, so that inaccuracies due to wear and tear of the parts coming into contact with one another are excluded.