Wegmessgerät, insbesondere für die Steuerung von Bearbeitungsmaschinen
Für die Messung, Steuerung und Regelung von Längs- und Drehbewegungen, beispielsweise den Vorschub bei Werkzeugmaschinen, ist bereits eine Vielzahl verschiedener Messeinrichtungen bekanntgeworden. Sie arbeiten beispielsweise nach dem Durchleuchtungsverfahren mit optischen Mitteln oder als aktive magnetische Messeinrichtungen mit eingeprägter Magnetisierung. Während beim optischen Verfahren der Massstab von beiden Seiten zugänglich sein muss, ergibt sich bei aktiven magnetischen Mess- einrichtungen eine erhöhte Störanfälligkeit gegenüber Fremdfeldern. Ferner sind Verfahren bekannt, die nach dem Drehmelderprinzip - für Längsbewegungen mit in die Ebene aufgerolltem Drehmelder - arbeiten.
In diesem Falle sind Anschlussleitungen sowohl am ortsfesten als auch am beweglichen Teil erforderlich.
Darüber hinaus wirken sich der geringe Signalpegel und Störabstand dieser Messgeräte ungünstig aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die den bekannten Messgeräten anhaftenden Nachteile zu vermeiden und mit geringem Aufwand eine Wegmessung ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen.
Es wird dabei von der bekannten Tatsache ausgegangen, dass man durch Vorbeiführen von Eisenteilen am Luftspalt eines im wesentlichen geschlossenen Magnetkreises, der magnetisch erregt wird und im Flussweg einen Hallgenerator enthält, eine Ver änderung der vom Hallgenerator abgegebenen Spannung registrieren kann. Dieses Prinzip ist bisher beispielsweise bei magnetischen Endschaltern, bei Achszähleinrichtungen im Eisensicherungswesen und ähnlichen Fällen angewandt worden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Wegmessgerät mit Rastermassstab und Lesekopf, an dem ein elektrisches Signal als Mass für den Weg abnehmbar ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Massstab als weichmagnetisches Strichraster ausgebildet ist, und dass der Lesekopf im Flussweg eines im wesentlichen geschlossenen magnetisch erregten Kreises mit Fühlspalt einen Hallgenerator enthält, dessen Hallspannung vom Grad der l : Überbrückung des Fühl- spaltes durch das Strichraster und damit von der Stellung des Lesekopfes abhängig ist.
Da der Massstab keine eingeprägte Magnetisierung aufweist, also passiv arbeitet, bleiben Fremdfelder weitgehend wirkungslos. Der Massstab braucht auch nur von einer Seite zugänglich zu sein und benötigt keinerlei elektrische Anschlüsse. Er kann auf beliebige Länge geschnitten werden, so dass man sich an die Maschinenlänge anpassen kann und nicht an ein bestimmtes Vielfaches von Einheitslängen gebunden ist.
Zur magnetischen Erregung des Lesekopfes kann man grundsätzlich einen Permanentmagneten verwenden, der im Flussweg angeordnet ist. Statt dessen kann man auch eine elektromagnetische Erregung mit Gleich- oder Wechselstrom je nach dem vorliegenden Anwendungszweck vorsehen.
Das weichmagnetische Strichraster kann so hergestellt werden, dass auf einer unmagnetischen Grundplatte mittels eines geeigneten Klebers eine weichmagnetische Folie hoher magnetischer Leitfähigkeit aufgebracht wird. Durch photographische Übertra- gung der Strichgitterteilung und anschliessende Ätzung erhält man nach einem Verfahren ähnlich der Herstellung geätzter Schaltungen einen Massstab, der ohne weiteres bis zu einer Auflösung von 1 mm und darunter ausgebildet werden kann.
Ist eine noch bessere Auflösung gefordert, so ergeben sich infolge des geringen Abstandes benachbarter Striche Schwierigkeiten sowohl in der Herstellung als auch in der Messung. In diesem Falle kann man beispielsweise durch Anordnung mehrerer Leseköpfe die Auflösung erhöhen.
Einzelheiten der Erfindung und der durch sie erzielten Vorteile sollen im folgenden an Hand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert werden, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt eine Möglichkeit zur Ausbildung des magnetisch erregten Kreises 1, der annähernd E-Form hat. Er weist zwei Fühlspalte 2 und 3 auf, die einen Abstand von zwei Einheiten a der Strichgitterteilung oder ein beliebiges Vielfaches von zwei Einheiten haben, derart, dass beiden Fühlspalten jeweils entweder ein Strich 4 des Rasters oder eine Lücke gegen übersteht. In Fig. 1 ist das Strichraster übertrieben gross dargestellt, so dass der Mittenabstand der beiden Fühlspalte durch 2a charakterisiert ist.
Im Mittelschenkel 5 des Kreises 1 ist in einem schmalen Luftspalt ein Hallgenerator 6 angeordnet. Auf dem gleichen Mittelschenkel ist zur magnetischen Erregung eine Wicklung 7 vorgesehen, die über Klemmen 8 und 9 die Erregergleichsspannung U5 erhält. Die beiden Polschuhe 10, 11 des Kreises sind an ihren dem Strichraster zugewandten Flächen etwa ebenso gross ausgebildet wie das Endstück 12 des Mittelschenkels. Handelt es sich um ein Strichraster mit einer Teilung a = 1 mm, so soll der Mittelschenkel eine Dicke von (2n + 1) mm haben, so dass die benachbarten Fühlspalte 2 und 3 jeweils gerade einer Lücke oder einem Strich des Rasters gegenüberstehen.
Die elektrischen Anschlüsse des Hallgenerators sind in Fig. 2 angedeutet. Dem Hallgenerator wird über Klemmen 13, 14 ein Steuerwechselstrom mit der Spannung U5 zugeführt, während an den Hallelektroden 15, 16 die Hallspannung UH die ebenfalls als Wechselspannung auftritt, abnehmbar ist. An die Klemmen 17, 18 können dann geeignete Auswerteinrichtungen, beispielsweise Impulsformerstufen und Zählketten, angeschlossen werden.
Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. 1 ergibt sich ohne weiteres unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Magnetkreis nur dann über die Fühlspalte geschlossen ist, wenn ihnen Striche 4 gegenüberstehen. In diesem Fall wird die Hallspannung Ua ein Maximum sein. Bleiben die Fühlspalte jedoch, wie in Fig. 1 gezeichnet, unüberbrückt, so erreicht die Hallspannung ein Minimum. Minimum und Maximum der Hallspannung folgen also bei Bewegung des Lesekopfes um jeweils eine Strichteilung a aufeinander, so dass mit Hilfe einer geeigneten Zähleinrichtung der insgesamt zurückgelegte Weg bestimmt werden kann.
Grundsätzlich ist die Art der Erregung und der Steuerstromversorgung des Hallgenerators beliebig.
Man kann sowohl den Erregerstrom als auch den Steuerstrom als Gleichstrom zuführen, so dass sich eine Hallgleichspannung ergibt. Für manche Anwendungsfälle ist jedoch zweckmässig, eine Hallwechselspannung zu erzeugen, die entsprechend der Verschiebung des Lesekopfes amplitudenmoduliert wird.
Die elektromagnetische Erregung des Kreises 1 und die Steuerstromzufuhr sind in ihrer Leistung nur durch die konstruktiven Gegebenheiten beschränkt, so dass sich ein relativ hoher Signalpegel in Form der Hallspannung U1I ergibt.
Aus technologischen Erwägungen wird zweckmässig die Auflösung nicht unter eine Strichteilung von etwa 0,1 mm zu treiben sein. Um eine Messung mit höherer Auflösung zu ermöglichen, kann man mehrere Leseköpfe anwenden, wie in Fig. 3 stark schematisiert dargestellt. Es handelt sich dort um die Verwendung von zehn Leseköpfen KO bis K 9, die sämtlich identisch mit dem Lesekopf nach Fig. 1 ausgebildet sein können. Die einzelnen Leseköpfe sind längs des Massstabes jeweils um einen Bruchteil der Strichteilung gegeneinander versetzt. In Fig. 3 sind durch Striche nur die Symmetrieachsen der einzelnen Leseköpfe angedeutet. Diese Symmetrieachsen haben voneinander den Abstand b, der sich aus der Grundteilung a, z. B. 1 mm, und dem verlangten Auflösungsvermögen k zu b = re a-k ergibt. (n = 1, 2, 3...).
Bei dem verlangten Auslösungsvermögen von k= 0,1 mm ist b = 0,9 mm. Mit anderen Worten, die Symmetrieachsen der einzelnen Leseköpfe sind gegen die Mitten der zugehörigen Lücken des Rasters jeweils um n/9 des Strichabstandes a versetzt. Mit Rücksicht auf den Raumbedarf der einzelnen Leseköpfe lässt ssich die schematische Anordnung nach Fig. 3 in der dargestellten Form nicht realisieren, sondern es ist jeweils zwischen den einzelnen Köpfen noch ein Abstand von einem beliebigen geradzahligen Vielfachen von a vorzusehen. Man kann auch die einzelnen Köpfe grundsätzlich nebeneinander, jedoch um das erwähnte Mass b gegeneinander versetzt, anordnen und die gesamte Baugruppe an einem Rastermassstab geeigneter Breite verschieben.
Der erste Lesekopf KO gibt jeweils die vorletzte Dezimale an. Ist diese festgelegt, so wird im Erregerkreis, im Steuerstromkreis des Hallgenerators oder in der Auswerteinrichtung auf denjenigen Kopf umgeschaltet, der für die letzte Dezimale massgeblich ist. Handelt es sich dabei beispielsweise um den Kopf K 4, so gibt dieser nach der Umschaltung noch nicht das Maximum seiner Hallspannung ab. Dies ist erst dann der Fall, wenn die Symmetrieachse des Kopfes mit der Mitte zwischen zwei Strichen 4 übereinstimmt. Hierzu ist der Lesekopf noch um 0,4 mm zu verschieben. Auch bei dieser Ausführungsform kann man Steuerstrom oder Erregerstrom in Form von Wechselstrom zuführen, was eine bequeme Wei terverarbeitung durch Transformation und Wechselspannungsverstärker ermöglicht.
Zur Herstellung des Massstabes kann man das magnetische Material in gleichen Abständen mit streifenförmigen Ausnehmungen versehen, so dass die stehenbleibenden Stege ein Strichraster bilden.
Die Ausnehmungen können mechanisch, z. B. durch Fräsen, Stanzen und dergleichen hergestellt sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Strichraster photographisch auf den Massstab zu übertragen und die Ausnehmungen durch einen Ätzvorgang zu erzeugen. Hierbei kann auf eine unmagnetische Unterlage eine weichmagnetische Folie, beispielsweise aus Mn-Metall, aufgeklebt sein. Nach dem Ätzvorgang bleiben nur die Stege in der Folie stehen, so dass die Tiefe der Ausnehmungen der Folienstärke entspricht. Diese Tiefe kann in der Grössenordnung von 30 bis 50 u liegen.
Statt dessen kann man auf die Unterlage auch die Stege selbst aufbringen, etwa durch Auftragen magnetisch leitender Schichten in Strichrasterform.
Man kann jedoch den Massstab auch vollständig aus magnetischem Material herstellen und an seiner Oberfläche mit Ausnehmungen versehen. Die einzelnen Stege sind dann zwar magnetisch leitend miteinander verbunden, doch lässt sich trotzdem ein ausreichender Signalpegel der Ausgangsspannung des Lesekopfes erzielen.
Bei Massstäben nach dem Dezimalsystem können die Ausnehmungen zweckmässig einen Abstand von 1 mm haben. Grundsätzlich ist jedoch auch jeder andere Abstand denkbar, wobei die Auflösung bis zu einer praktischen Grenze von etwa 0,1 mm getrieben werden kann.
In der Zeichnung sind Ausbildungsmöglichkeiten des Massstabes dargestellt. Gemäss Fig. 4 kann man auf eine unmagnetische Unterlage 19 mittels einer Klebefolie eine weichmagnetische Folie 20 aufkleben, die mit einem Strichraster 4 versehen ist. Einen Schnitt durch einen derartigen Massstab zeigt vergrössert Fig. 5. Dabei sind die Klebefolie mit 21, die Stege 22 und die Ausnehmungen mit 23 bezeichnet.
Der Massstab nach Fig. 6 besteht vollständig aus magnetischem Material 24, das mit Ausnehmungen 23 versehen ist.
Die Massstäbe können auf beliebige Länge zugeschnitten werden, so dass man sich der Maschinenlänge leicht anpassen kann. Sollen Drehbewegungen gemessen oder gesteuert werden, kann man statt langgestreckter Massstäbe Trommeln oder Scheiben anwenden, wie in Fig. 7 angedeutet. Auf der Trommel 25, beispielsweise aus unmagnetischem Material, kann wieder eine weichmagnetische Folie 20 mit dem Strichraster 4 aufgeklebt sein.
Es ist einleuchtend, dass eine besondere Unterlage eingespart werden kann. Beispielsweise kann man das Strichraster unmittelbar auf dem Bett oder Schlitten einer Maschine, am Drehbanksupport usw. herstellen.