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.
Position measuring device, in particular for controlling processing machines
A large number of different measuring devices have already become known for the measurement, control and regulation of longitudinal and rotary movements, for example the feed in machine tools. For example, they work according to the fluoroscopic method with optical means or as active magnetic measuring devices with impressed magnetization. While with the optical method the scale must be accessible from both sides, active magnetic measuring devices are more susceptible to interference from external fields. Furthermore, methods are known which work according to the resolver principle - for longitudinal movements with the resolver rolled into the plane.
In this case, connection lines are required both on the stationary and on the moving part.
In addition, the low signal level and signal to noise ratio of these measuring devices have an unfavorable effect.
The invention is based on the object of avoiding the disadvantages inherent in the known measuring devices and of enabling a path measurement of sufficient accuracy with little effort.
It is based on the known fact that one can register a change in the voltage emitted by the Hall generator by moving iron parts past the air gap of an essentially closed magnetic circuit, which is magnetically excited and contains a Hall generator in the flux path. This principle has so far been used, for example, in magnetic limit switches, in axle counting devices in iron safety systems and similar cases.
The invention relates to a position measuring device with a grid scale and reading head, from which an electrical signal can be removed as a measure of the distance.
The invention is characterized in that the scale is designed as a soft magnetic line grid, and that the reading head contains a Hall generator in the flow path of an essentially closed magnetically excited circuit with a sensing gap, the Hall voltage of which has the degree of l: bridging the sensing gap by the line grid and thus depends on the position of the read head.
Since the scale does not have any impressed magnetization, i.e. works passively, external fields remain largely ineffective. The scale also only needs to be accessible from one side and does not require any electrical connections. It can be cut to any length so that it can be adapted to the machine length and is not tied to a specific multiple of unit lengths.
To magnetically excite the read head, you can basically use a permanent magnet that is arranged in the flux path. Instead, it is also possible to provide electromagnetic excitation with direct or alternating current, depending on the application at hand.
The soft magnetic line grid can be produced in such a way that a soft magnetic film of high magnetic conductivity is applied to a non-magnetic base plate by means of a suitable adhesive. By photographic transfer of the line grating and subsequent etching, a scale is obtained using a method similar to the production of etched circuits, which can easily be designed to a resolution of 1 mm and below.
If an even better resolution is required, difficulties arise in both production and measurement due to the small distance between adjacent lines. In this case the resolution can be increased by arranging several reading heads, for example.
Details of the invention and the advantages achieved by it will be explained below with reference to the description of exemplary embodiments which are shown schematically in the drawing.
Fig. 1 shows one way of forming the magnetically excited circuit 1, which has an approximately E-shape. It has two sensing gaps 2 and 3, which are at a distance of two units a of the grating or any multiple of two units, such that either a line 4 of the grid or a gap faces each of the two sensing gaps. In Fig. 1, the line grid is shown exaggerated, so that the center distance of the two sensing gaps is characterized by 2a.
In the center leg 5 of the circle 1, a Hall generator 6 is arranged in a narrow air gap. On the same center leg, a winding 7 is provided for magnetic excitation, which receives the DC excitation voltage U5 via terminals 8 and 9. The two pole shoes 10, 11 of the circle are approximately the same size as the end piece 12 of the center leg on their surfaces facing the line grid. If it is a line grid with a division a = 1 mm, the middle leg should have a thickness of (2n + 1) mm, so that the adjacent sensing gaps 2 and 3 each face a gap or a line in the grid.
The electrical connections of the Hall generator are indicated in FIG. An alternating control current with the voltage U5 is fed to the Hall generator via terminals 13, 14, while the Hall voltage UH, which also occurs as an alternating voltage, can be removed from the Hall electrodes 15, 16. Suitable evaluation devices, for example pulse shaping stages and counting chains, can then be connected to terminals 17, 18.
The mode of operation of the device according to FIG. 1 results without further ado, taking into account the fact that the magnetic circuit is only closed via the sensing gaps when lines 4 are opposite them. In this case the Hall voltage Ua will be a maximum. However, if the sensing gaps remain unbridged, as shown in FIG. 1, the Hall voltage reaches a minimum. The minimum and maximum of the Hall voltage therefore follow one another when the reading head is moved by a division a, so that the total distance covered can be determined with the aid of a suitable counter device.
In principle, the type of excitation and the control power supply of the Hall generator is arbitrary.
Both the excitation current and the control current can be supplied as direct current, so that a direct Hall voltage results. For some applications, however, it is expedient to generate an AC Hall voltage that is amplitude-modulated in accordance with the displacement of the reading head.
The electromagnetic excitation of circuit 1 and the control current supply are only limited in their performance by the structural conditions, so that a relatively high signal level results in the form of the Hall voltage U1I.
For technological reasons, the resolution should not be driven below a line division of about 0.1 mm. In order to enable a measurement with a higher resolution, several reading heads can be used, as shown in a highly schematic manner in FIG. It is about the use of ten reading heads KO to K 9, all of which can be identical to the reading head according to FIG. The individual reading heads are offset from one another along the scale by a fraction of the line spacing. In Fig. 3, only the axes of symmetry of the individual read heads are indicated by lines. These axes of symmetry have the distance b from each other, which is derived from the basic division a, z. B. 1 mm, and the required resolution k results in b = re a-k. (n = 1, 2, 3 ...).
With the required triggering capacity of k = 0.1 mm, b = 0.9 mm. In other words, the axes of symmetry of the individual reading heads are offset from the centers of the associated gaps in the grid by n / 9 of the line spacing a. With regard to the space required by the individual reading heads, the schematic arrangement according to FIG. 3 cannot be implemented in the form shown, but a distance of any even multiple of a must be provided between the individual heads. In principle, the individual heads can also be arranged next to one another, but offset from one another by the aforementioned dimension b, and the entire assembly can be shifted on a grid scale of suitable width.
The first read head KO indicates the penultimate decimal. Once this has been determined, a switch is made in the excitation circuit, in the control circuit of the Hall generator or in the evaluation device to the head that is relevant for the last decimal. If this is, for example, the head K 4, it does not yet emit the maximum of its Hall voltage after the switchover. This is only the case when the symmetry axis of the head coincides with the center between two lines 4. To do this, the read head must be moved by 0.4 mm. In this embodiment, too, control current or excitation current can be supplied in the form of alternating current, which enables convenient processing by transformation and alternating voltage amplifier.
To produce the scale, the magnetic material can be provided with strip-shaped recesses at equal intervals so that the remaining webs form a grid of lines.
The recesses can be mechanical, e.g. B. be made by milling, punching and the like. Another possibility is to transfer the line grid photographically to the scale and to produce the recesses by means of an etching process. A soft magnetic film, for example made of Mn metal, can be glued to a non-magnetic base. After the etching process, only the webs remain in the film, so that the depth of the recesses corresponds to the thickness of the film. This depth can be on the order of 30 to 50 u.
Instead of this, the webs themselves can also be applied to the base, for example by applying magnetically conductive layers in the form of a grid.
However, the scale can also be made entirely of magnetic material and provided with recesses on its surface. The individual webs are then connected to one another in a magnetically conductive manner, but a sufficient signal level for the output voltage of the read head can still be achieved.
In the case of scales according to the decimal system, the recesses can expediently have a distance of 1 mm. In principle, however, any other distance is also conceivable, with the resolution being able to be driven up to a practical limit of approximately 0.1 mm.
The drawing shows training options for the scale. According to FIG. 4, a soft magnetic film 20, which is provided with a line grid 4, can be glued to a non-magnetic base 19 by means of an adhesive film. A section through such a scale is shown enlarged in FIG. 5. The adhesive film is designated by 21, the webs 22 and the recesses by 23.
The scale according to FIG. 6 consists entirely of magnetic material 24 which is provided with recesses 23.
The rulers can be cut to any length so that the machine length can be easily adjusted. If rotary movements are to be measured or controlled, drums or disks can be used instead of elongated scales, as indicated in FIG. 7. On the drum 25, for example made of non-magnetic material, a soft magnetic film 20 with the line grid 4 can again be glued.
It is obvious that a special pad can be saved. For example, you can produce the line grid directly on the bed or slide of a machine, on the lathe support, etc.