DE10000730A1

DE10000730A1 - Abstandssensor

Info

Publication number: DE10000730A1
Application number: DE2000100730
Authority: DE
Inventors: Manfred Jagiella
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: DE10000730C2

Abstract

Um einen Sensor zum Detektieren eines Abstands zwischen einem Bearbeitungswerkzeug, mit dem ein Werkstück bearbeitbar ist, und dem Werkstück, umfassend eine Detektoreinheit und eine Auswerteeinheit, zu schaffen, welcher universell einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, daß die Detektoreinheit eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von Spulen umfaßt und daß die Spulen der Spulenanordnung um einen Werkzeugwirkbereich angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Detektieren eines Ab stands zwischen einem Bearbeitungswerkzeug, mit dem ein Werk stück bearbeitbar ist, und dem Werkstück, umfassend eine Detektoreinheit und eine Auswerteeinheit.

Es sind kapazitive Sensoren zum Detektieren des Abstands zwischen einem Bearbeitungswerkzeug und einem Werkstück bekannt. Es tritt dabei jedoch das Problem auf, daß bei spielsweise beim Laserschneiden, insbesondere bei hoher Schneidgeschwindigkeit, hoher Leistung oder dem Schneiden von hochreflektiven Materialien wie Aluminium, ein Plasma ent steht. Ähnliche Probleme treten auch beim Laserschweißen auf. Bei einer Plasmastrahlbearbeitung eines Werkstücks ist ein solches Plasma bereits vorhanden. Das Plasma schließt die zu messende Kapazität kurz, so daß für solche Anwendungen ein kapazitiver Sensor nicht einsetzbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, der universell und insbesondere auch für Hoch leistungsbearbeitungswerkzeuge einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs beschrie benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektor einheit eine Spulenanordnung mit einer Mehrzahl von Spulen umfaßt und daß die Spulen der Spulenanordnung um einen Werk zeugwirkbereich angeordnet sind.

Über die Spulen der Spulenanordnung läßt sich der Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Werkstück ermitteln. Da eine Mehrzahl von Spulen, d. h. mindestens zwei Spulen, vor gesehen ist, wobei die Spulen um einen Werkzeugwirkbereich angeordnet sind, läßt sich trotzdem noch dieser Abstand er mitteln, auch wenn einige oder mehrere Spulen der Spulen anordnung beispielsweise bei einer Bewegung des Bearbeitungs werkzeugs über eine Kante des Werkstücks gefahren wurden. Durch die induktive Messung kann der erfindungsgemäße Sensor auch bei Hochleistungs-Bearbeitungswerkzeugen eingesetzt werden, bei denen bei der Bearbeitung des Werkstücks ein Plasma entsteht oder bei denen selber ein Plasma zur Werk stückbearbeitung eingesetzt wird.

Vorteilhafterweise sind die Spulen der Spulenanordnung so angeordnet und ausgebildet, daß ein feldfreier Bereich bild bar ist. In solch einen feldfreien Bereich wird dann bevor zugterweise ein Bearbeitungskopf insbesondere mit einer Kopf spitze des Bearbeitungswerkzeugs plaziert. Beim Austausch dieses Bearbeitungskopfes muß dann der Sensor nicht neu kali briert werden, da der Bearbeitungskopf selber den Feldverlauf der Spulenanordnung nicht modifiziert.

Günstigerweise sind dabei die Spulen der Spulenanordnung so angeordnet und ausgebildet, daß sie einen feldfreien Bereich umschließen. Dadurch ist einerseits gewährleistet, daß der Feldverlauf der Spulenanordnung im wesentlichen unbeeinflußt ist von dem Bearbeitungswerkzeug und andererseits läßt sich der Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Werkstück ermitteln, auch wenn bei einer lateralen Bewegung des Be arbeitungswerkzeugs über dem Werkstück ein Teil der Spulen der Spulenanordnung über eine Kante des Werkstücks hinaus gefahren wird.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spulenanordnung an einem Bearbeitungskopf des Bearbeitungswerkzeugs fixiert ist. Dadurch läßt sich bei der Bearbeitung des Werkstücks der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück kon tinuierlich ermitteln, auch wenn das Bearbeitungswerkzeug relativ zum Werkstück bewegt wird.

Günstigerweise liegen zumindest dem Werkstück zugewandte Enden der Spulen der Spulenanordnung in einer Ebene. Dadurch läßt sich ein definierter Abstand der Spulenanordnung zum Werkstück einstellen, und insbesondere läßt sich bezogen auf eine ebene Fläche eines Werkstücks ein gleicher Abstand zwischen allen Spulen und dem Werkstück einstellen, so daß die Auswerteeinheit auf einfache Weise den Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Werkstück ermitteln kann.

Zur Vereinfachung der Auswertung der Abstandsmessung weisen bevorzugterweise die Spulen der Spulenanordnung die gleiche Induktivität auf, so daß die Auswerteeinheit nicht zwischen den einzelnen Spulen der Spulenanordnung bei der Auswertung unterscheiden muß.

Bei einer vorteilhaften Variante sind die Spulen der Spulen anordnung in Serie geschaltet. Die Spulenanordnung weist dadurch eine hohe effektive Induktivität auf, so daß eine hohe effektive Empfindlichkeit des Sensors gegeben ist und sich dadurch der Abstand auf genaue Weise ermitteln läßt. Wenn eine oder mehrere Spulen der Spulenanordnung über eine Kante des Werkstücks hinausgefahren wurden, so läßt sich auf grund der hohen Empfindlichkeit trotzdem noch mit guter Ge nauigkeit der Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Werkstück bestimmen, da über die Reihenschaltung gemittelt wird.

Es kann auch vorgesehen sein, daß die Spulen der Spulenanord nung parallel geschaltet sind. Auch diese Schaltung weist eine hohe Empfindlichkeit auf. Es kann weiterhin auch vorge sehen sein, daß eine Mischschaltung der Spulen der Spulen anordnung vorgesehen ist, bei der sowohl Spulen in Reihe als auch Spulen parallel geschaltet sind. Je nach Anwendungs gebiet und den elektrischen Parametern der Bauteile des Sensors wird die entsprechende Schaltung der Spulen der Spulenanordnung ausgewählt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sensor einen oder mehrere Oszillatoren umfaßt, wobei ein Schwingkreis eines Oszillators eine oder mehrere Spulen der Spulenanordnung um faßt. Über die Beeinflussung des Schwingungsverhaltens eines solchen Oszillators läßt sich der Abstand zwischen dem Oszillator, d. h. der Abstand zwischen der Induktivität des Schwingkreises, die im wesentlichen durch die Spule oder die Spulen des Schwingkreises gebildet sind, ermitteln. Dazu wird insbesondere die Güte oder die Frequenz des Oszillators ge messen; durch Änderung des Abstands ändert sich die Güte bzw. die Frequenz des Oszillators.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist ein Oszillator vorgesehen, wobei ein Schwingkreis des Oszillators eine Reihenschaltung der Spulen der Spulenanordnung umfaßt. Bei einer solchen Anordnung erhält man eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Abstandsänderungen.

Bevorzugterweise sind die Spulen der Spulenanordnung im wesentlichen symmetrisch um eine Achse des Bearbeitungswerk zeugs angeordnet. Dadurch läßt sich die Beeinflussung des Spulenfelds durch das Werkstück bei einer vorgegebenen Anzahl von Spulen in der Spulenanordnung in einem großen Raumbereich ermitteln. Dadurch wiederum erhält man auch dann noch ein gutes Sensorsignal, wenn ein Teil der Spulen der Spulenanord nung über eine Kante des Werkstücks hinausgefahren wurde, weil beispielsweise das Bearbeitungswerkzeug einen Bearbei tungsvorgang in der Nähe einer solchen Kante durchführt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es dann, wenn die Spulen der Spulenanordnung im wesentlichen ringförmig um eine Achse des Bearbeitungswerkzeugs angeordnet sind. Dadurch wird durch die Spulen ein großer Raumbereich abgedeckt, d. h. die Feld linien, die von der Spule zum Werkstück verlaufen, werden durch das Werkstück über einen großen Raumbereich beeinflußt. Dadurch läßt sich auch dann noch der Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Werkstück ermitteln, wenn ein Teil der Spulen über eine Kante des Werkstücks gefahren wurden. Vorteilhafterweise weist dabei das Meßfeld, welches durch das Werkstück beeinflußt wird, eine im wesentlichen zylindrische Einhüllende auf. Dadurch ist das Meßfeld einerseits über einen großen Raumbereich des Werkstücks beeinflußbar, und andererseits ist auf einfache Weise ein feldfreier Bereich, in dem kein Meßfeld vorhanden ist, ausgebildet.

Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Spulen der Spulenanordnung zumindest näherungsweise an Ecken eines regelmäßigen Vielecks positioniert. Auf diese Weise läßt sich die Anzahl der Spulen in der Spulenanordnung gering halten, wobei trotzdem noch ein gutes Detektionssignal erzielbar ist, auch wenn ein Teil der Spulen über eine Kante des Werkstücks hinausgefahren wurde. Insbesondere sind die Spulen der Spulenanordnung zumindest näherungsweise an Ecken eines Quadrats positioniert.

Um ein bezüglich der Abstandsermittlung gut auswertbares Meß signal zu erhalten, aus dem sich auch mit hoher Genauigkeit der Abstand ermitteln läßt, sind vorteilhafterweise die Spulen der Spulenanordnung streufeldarm ausgebildet.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Spule einen Spulenkern zur Feldführung aufweist. Dadurch lassen sich die Feldlinien des Meßfelds gezielt zum Werkstück hin konzen trieren, ohne daß Streufelder der Spulen die Messung stören. Günstigerweise ist dabei der Spulenkern aus Ferrit, um eine gute Feldführung zu erzielen. Eine gute Feldführung wird durch eine geometrische Ausbildung des Spulenkerns als Topf kern erzielt.

Günstigerweise weist eine Spule eine Abschirmung und ins besondere metallische Abschirmung gegen kapazitive Einflüsse auf. Dadurch wird gewährleistet, daß im wesentlichen nur die Induktivität des Sensors durch das Werkstück beeinflußt wird und nicht dessen Kapazität. Dadurch läßt sich auch die Aus wertung vereinfachen.

Weiterhin ist es günstigerweise vorgesehen, daß eine Spule eine Kapselung aufweist. Durch eine solche Kapselung ist die Spule beispielsweise gegen Schweißspritzer und dergleichen geschützt. Dadurch weist der erfindungsgemäße Sensor eine längere Lebensdauer auf, und das Meßergebnis wird nicht durch Beschädigung oder Zerstörung einer oder mehrerer Spulen der Spulenanordnung verfälscht.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Bestimmung des Abstands zwischen Bearbeitungswerkzeug und Werkstück die Aus werteeinheit die Frequenz eines Oszillators ermittelt, wel cher einen Schwingkreis umfaßt, der durch eine oder mehrere Spulen der Spulenanordnung gebildet ist. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Güte des Oszillators auszuwerten. Bei der Frequenzbestimmung hat man jedoch insbesondere auch die Mög lichkeit, zumindest in einem bestimmten Frequenzbereich ein Detektionssignal auszuwerten, das unabhängig von dem Material des Werkstücks ist. Dies ist in der EP 0 537 747 A2, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, für die Werkstück materialien Eisen und Aluminium beispielhaft erläutert.

Günstigerweise sind dabei die Parameter eines Oszillators so gewählt, daß die Messung einer Frequenzänderung des Oszilla tors in einem Frequenzbereich erfolgt, in dem diese Frequenz änderung bei Änderung des Abstands zwischen Sensor und Werk stück im wesentlichen unabhängig vom Material des Werkstücks ist. Die Wahl der Parameter hängt dabei von der Schaltungs anordnung des Oszillators ab. Dem Oszillator läßt sich eine effektive Induktivität, die vom Abstand des Werkstücks zu der Spule oder den Spulen des Oszillators abhängt, und einen effektiven Widerstand, der ebenfalls von diesem Abstand ab hängt, zuordnen. Grundsätzlich ist die Abstandsabhängigkeit dieser effektiven Induktivität und dieses effektiven Wider stands abhängig vom Material des Werkstücks. Jedoch hat sich, wie in der EP 0 537 747 A2 und insbesondere in den dortigen Fig. 4(a) und (b) dargestellt ist, gezeigt, daß zumindest in einem gewissen Abstandsbereich für Eisen und Aluminium die entsprechenden effektiven Werte einen ähnlichen Verlauf haben. Werden dann die Parameter eines Oszillators so ge wählt, daß man in einem entsprechenden Frequenzbereich arbei tet, dann läßt sich erreichen, daß die Frequenzänderung bei Abstandsänderung näherungsweise unabhängig von dem Material des Werkstücks ist.

Günstigerweise umfaßt die Auswerteeinheit einen Frequenz- Spannungs-Wandler. Dieser Wandler wandelt die Frequenzände rung in eine Spannungsänderung um. Aus der Ausgangsspannung dieses Wandlers läßt sich dann auf einfache Weise der Abstand zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungswerkzeug ablesen.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Oszillatoren vorgesehen, welche jeweils einen Schwing kreis umfassen, der eine oder mehrere Spulen der Spulenanord nung umfaßt, wobei die Auswerteeinheit zur Ermittlung des Ab stands die Signale eines oder mehrerer Oszillatoren unberück sichtigt läßt, wenn die Oszillatoren unterschiedliche Signale liefern. Die Auswerteeinheit wertet also die Signale der ver schiedenen Oszillatoren und nimmt nur diejenigen Signale, die sie für wichtig erachtet und verwirft die anderen Signale. Insbesondere werden nur der oder die Oszillatoren berück sichtigt, die die stärksten Signale liefern. Schwächere Signale liefern insbesondere die Oszillatoren, deren Schwing kreisspulen über eine Kante des Werkstücks gefahren wurden. Der erfindungsgemäße Sensor läßt sich dadurch universell ein setzen, da der Sensor auch dann noch den Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem Werkstück ermitteln kann, wenn eine oder mehrere Spulen über die Kante des Werkstücks gefahren wurden.

Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, daß die Aus werteeinheit über die Spulen der Spulenanordnung mittelt. Wenn dann eine oder mehrere Spulen über die Kante gefahren wurden, dann läßt sich aufgrund der Mittlung trotzdem noch der Abstand bestimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar stellung der Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, welcher an einem Bearbeitungskopf eines Bearbeitungswerkzeugs fixiert ist;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungs beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht einer Spule mit Spulenkern;

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild für die Frequenzauswertung eines Oszillators;

Fig. 5 schematisch die Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators von dem Abstand zwischen einer Spule und einem Werkstück und

Fig. 6 schematisch den Spannungsverlauf der Ausgangs spannung eines Frequenz-Spannungs-Wandlers gemäß Fig. 4 in Abhängigkeit von diesem Abstand.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors, welches in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt einen Haltering 12, der an einem Bearbeitungskopf 14 eines Bearbeitungswerkzeugs fixiert ist. Bei dem Bearbeitungswerk zeug kann es sich beispielsweise um eine Plasmadüse einer Plasmabearbeitungsvorrichtung handeln, mit der ein Werkstück schneidbar, schweißbar oder beschichtbar ist. Es kann sich auch um eine Laserbearbeitungsanlage handeln und insbesondere um eine Düse, mit der ein Inertgas einem Werkstück 16 zuführ bar ist. Eine solche Laserbearbeitungsanlage läßt sich bei spielsweise zum Schneiden oder Schweißen eines Werkstücks einsetzen.

An dem Haltering 12 ist eine Mehrzahl von Spulen 18 in einer als Ganzes mit 20 bezeichneten Spulenanordnung gehalten. Die Spulen dieser Spulenanordnung 20 sitzen verteilt an dem Haltering 12 und insbesondere symmetrisch verteilt um eine Achse 22 des Bearbeitungskopfes 14 und bilden eine Detektor einheit.

Die dem Werkstück 16 zugewandten Enden 24 der Spulen 18 der Spulenanordnung 20 liegen insbesondere in einer Ebene; vor teilhafterweise läßt sich diese Ebene parallel zum Werkstück 16 positionieren, indem beispielsweise der Haltering 12 koaxial zur Achse 22 an dem Bearbeitungskopf 14 fixiert ist und die Achse 22 im wesentlichen senkrecht auf das Werkstück 16 hin ausgerichtet wird.

Die Spulenanordnung 20 ist in einem bestimmten Abstand zu einer Spitze 26 des Bearbeitungskopfes 14 fixiert. Feldlinien des Magnetfelds einer Spule 18 verlaufen von dem unteren Ende 24 einer Spule 18 ausgehend in Richtung des Werkstücks 16 und wieder zurück (Fig. 3). Das Werkstück 16 beeinflußt diesen Feldverlauf, wobei diese Beeinflussung abhängig ist von dem Abstand d zwischen einer Spule 18 und dem Werkstück 16. Durch Messung dieses Einflusses läßt sich dann dieser Abstand d er mitteln und somit der Abstand der Spitze 26 des Bearbeitungs kopfes 14 von dem Werkstück 16.

Jede Spule 18 weist dabei eine Kapselung 28 auf, um die Spule beispielsweise vor Schweißspritzern und dergleichen zu schützen. Weiterhin weist jede Spule 18 eine Abschirmung und insbesondere metallische Abschirmung auf, um die Spule gegen kapazitive Einflüsse abzuschirmen.

Eine Spule 18 ist, wie in Fig. 3 gezeigt, mit einem Spulen kern 30 aus Ferrit versehen. Dieser Spulenkern ist insbe sondere topfförmig ausgebildet (Topfkern) mit einer zylin drischen Form. Der Spulenkern 30 weist dazu ein zentral ange ordnetes zylindrisches Halteelement 32 auf, auf dem die jeweilige Spule 18 sitzt. Koaxial zu diesem Halteelement 32 ist eine in der Draufsicht ringförmige Wand 34 angeordnet, so daß der Spulenkern 30 im seitlichen Schnitt in etwa die Ge stalt eines E aufweist. Das durch die Spule 18 erzeugte magnetische Feld wird durch das Halteelement 32 über die Wand 34 geführt, wobei Feldlinien 35 dann zwischen der Wand 34 und dem Halteelement 32 dem Werkstück 16 zugewandt wieder ge schlossen werden. Die Feldlinien zwischen dem Halteelement 32 und der Wand 34 verlaufen im wesentlichen vollständig in dem Ferritkern, während die Feldlinien 35 zwischen der Wand 34 und dem Halteelement 32 in einem Außenraum 36 dem Werkstück 16 zugewandt verlaufen.

Der Bearbeitungskopf 14 beaufschlagt das Werkstück 16 in einem Beaufschlagungsbereich 38 beispielsweise mit einem Laserstrahl oder einem Plasmastrahl. Dadurch ist ein Werk zeugwirkbereich 40 gebildet, in dem das Werkstück 16 durch das Bearbeitungswerkzeug beeinflußt ist.

Die Spulen 18 der Spulenanordnung 20 sind um den Werkzeug wirkbereich 40 derart angeordnet, daß die Feldlinien 35 der Spulen um den Werkzeugwirkbereich 40 liegen, d. h. insbeson dere außerhalb dieses Bereichs liegen. Da die Feldlinien 35 im wesentlichen auf die Ausdehnung eines Spulenkerns 30 be schränkt sind, ist dann ein feldfreier Bereich zwischen der Spulenanordnung 20 und dem Werkstück 16 gebildet, wobei dieser feldfreie Bereich im wesentlichen durch einen zur Achse 22 koaxial liegenden Verbindungskreis um die Spulen anordnung 20, welcher dieser Achse 22 nächstliegend ist, begrenzt ist. Der Werkzeugwirkbereich 40 und der Beaufschla gungsbereich 38 liegen innerhalb dieses feldfreien Bereichs.

Das Feld der Spulenanordnung 20 gemäß dem ersten Ausführungs beispiel hat eine im wesentlichen zylindrische Einhüllende, welche koaxial zur Achse 22 ist.

Die Detektoreinheit weist einen Oszillator 42 auf, der einen LC-Schwingkreis umfaßt. Durch die Spulen 18 der Spulenanord nung 20 wird im wesentlichen die Induktivität L dieses Schwingkreises gebildet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aus führungsbeispiel sind die Spulen 18 in Reihe geschaltet. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Spulen 18 parallel geschaltet sind oder daß eine Mischform von Reihen- und Parallelschaltung vorliegt.

Der Oszillator 42 weist auch aktive Elemente insbesondere zur Anregung und Entdämpfung des Schwingkreises auf.

Weiterhin ist eine Auswerteeinheit 44 vorgesehen, mittels der sich aus einem Oszillatorausgangssignal ein Abstand zwischen der Spulenanordnung 20 und dem Werkstück 16 ermitteln läßt.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 2 gezeigt ist, sitzt an dem Bearbeitungskopf 14 ein Halter 46 für Spulen 48 einer Spulenanordnung 50. Die Spulen 48 der Spulenanordnung 50 sitzen an den Eckpunkten eines Quadrats.

Jede Spule ist einem Schwingkreis eines Oszillators zuge ordnet, so daß vier Oszillatoren vorhanden sind. Eine Aus werteeinheit 52 wertet die Signale dieser vier Oszillatoren aus. Auch bei der Spulenanordnung 50 sind die Spulen 48 um den Werkzeugwirkbereich 40 angeordnet, und eine Spule 48, die im wesentlichen gleich ausgebildet ist wie eine Spule 18, welche im Zusammenhang mit der Fig. 3 beschrieben wurde, erzeugt einen Feldverlauf mit Feldlinien 35 in Richtung des Werkstücks 16, bei dem ein feldfreier Bereich vorhanden ist.

Durch die Auswerteeinheit 44 bzw. 52 wird die Frequenz des Schwingkreises des Oszillators 42 bzw. der Oszillatoren bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ermittelt. Eine Abstands änderung zwischen Bearbeitungskopf 14 und Werkstück 16 be wirkt eine Frequenzänderung des Oszillators. Über einen Frequenz-Spannungs-Wandler 54 (Fig. 4), der beispielsweise eine Microcontrollerschaltung umfaßt, wird die Frequenz in eine Spannung umgewandelt, und aus einer entsprechenden Aus gangsspannung U_a läßt sich dann der Abstand ermitteln.

In der EP 0 537 747 A2, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, ist in der dortigen Formel (9) der Zusammen hang zwischen Frequenz und Induktivität einer Schwingkreis spule, welche gegenüber einem Werkstück positioniert wird, in Abhängigkeit von der Annäherung eines Werkstücks für eine be stimmte Oszillatorschaltung angegeben. Ein beispielhafter Verlauf für die Abhängigkeit der Frequenz des Oszillators 42 vom Abstand der Spule 18 zum Werkstück 16 ist in Fig. 5 an gegeben. Demgemäß sinkt die Frequenz des Oszillators 42 mit Vergrößerung des Abstands der Spule 18 zum Werkstück 16 und umgekehrt vergrößert sich die Frequenz, wenn die Spule 18 und damit der Bearbeitungskopf 14 näher zu dem Werkstück 16 ge führt wird.

Beispielhaft ist das Ausgangssignal U_a des Frequenz- Spannungs-Wandlers 54 in Fig. 6 gezeigt. Aus diesem Aus gangssignal läßt sich eindeutig der Abstand d bestimmen. Bei spielsweise ist der Frequenz-Spannungs-Wandler 54 so ausge bildet, daß die Ausgangsspannung U_a Null ist, wenn der Ab stand d Null ist und bei Vergrößerung des Abstands erhöht sich die Ausgangsspannung des Frequenz-Spannungs-Wandlers 54.

Ein Oszillator 42 hat eine Impedanz mit Kapazitäten, Wider stände und Induktivitäten, wobei sich in einem Ersatzschalt bild, bei welchem das Werkstück als Induktivität berück sichtigt wird, eine effektive Impedanz angeben läßt, bei der den Widerständen ein effektiver Widerstand und den Induktivi täten eine effektive Induktivität zugeordnet ist. Dieser effektive Widerstand und die effektive Induktivität wird, wie in der EP 0 537 747 A2 beschrieben, durch Annäherung eines Werkstücks beeinflußt, wobei diese Beeinflussung grundsätz lich abhängig ist von dem Material des Werkstücks. In einem gewissen Frequenzbereich läßt sich diese Materialabhängigkeit näherungsweise eliminieren, wie in der EP 0 537 747 A2 bei spielhaft für ein Werkstück aus Eisen und Aluminium beschrie ben ist. Es ist vorteilhaft, wenn die Parameter des Oszilla tors 42 so angepaßt werden, daß in dem Meßfrequenzbereich die Frequenz näherungsweise unabhängig ist von dem Material des Werkstücks. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, daß ent sprechende Parameter für die Kapazitäten im Oszillator 42 gewählt werden. Diese Anpassung kann wie in der EP 0 537 747 A2 geschildert erfolgen.

Der erfindungsgemäße Sensor funktioniert nun wie folgt. Der Oszillator 42 wird angeregt, so daß der Schwingkreis schwingt. Dadurch hat sich in den Spulen 18 ein Magnetfeld aufgebaut und aus den Spulen 18 der Spulenanordnung 20 treten Feldlinien 35 in Richtung des Werkstücks 16 aus. Wird der Ab stand d zwischen der Spulenanordnung 20 und dem Werkstück 16 verändert, so ändert sich die effektive Induktivität des Oszillators 42, wodurch die Frequenz des Oszillators 42 ver schoben wird; aus dieser Frequenzverschiebung wiederum läßt sich die Abstandsänderung durch die Auswerteeinheit 44 er mitteln.

Während der Bearbeitung des Werkstücks 16 fährt der Bearbei tungskopf 14 über dieses Werkstück 16. Es kann dabei vor kommen, daß einige Spulen 18 der Spulenanordnung 20 über eine oder mehrere Kanten des Werkstücks 16 hinausgefahren werden. Durch eine Änderung des Abstands d zwischen der Spulenanord nung 20 und dem Werkstück 16 ändert sich dann die Induktivi tät einer solchen Spule bzw. solcher Spulen nur sehr wenig. Durch die ringförmige Spulenanordnung 20 wird dabei jedoch über alle Spulen gemittelt, so daß die Frequenzänderung der restlichen Spulen, die noch über dem Werkstück 16 positio niert sind, ausreicht, um den Abstand zwischen dem Werkstück 16 und der Spulenanordnung 20 zu detektieren.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bei dem mehrere unabhängige Oszillatoren vorgesehen sind, prüft die Auswerte einheit 52 die Signalintensität und zieht zur Auswertung der Frequenzänderung, d. h. zur Bestimmung des Abstands, nur die Signale der Oszillatoren heran, welche am stärksten sind und insbesondere die größte Intensität haben. Schwächere Signale werden verworfen. Liegt dann beispielsweise eine Spule einer solchen Spulenanordnung 50 über einer Kante des Werkstücks 16, dann liefert der zugehörige Oszillator nur ein schwaches Signal bei einer Frequenzänderung und durch die Auswerte einheit 52 kann dann erkannt werden, daß ein solches Signal nicht oder wenig geeignet ist zur Bestimmung des Abstands zwischen der Spulenanordnung 50 und dem Werkstück 16.

Claims

1. Sensor zum Detektieren eines Abstands zwischen einem Bearbeitungswerkzeug, mit dem ein Werkstück (16) be arbeitbar ist, und dem Werkstück (16), umfassend eine Detektoreinheit und eine Auswerteeinheit (44; 52), dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit eine Spulenanordnung (20; 50) mit einer Mehrzahl von Spulen (18; 48) umfaßt und daß die Spulen (18; 48) der Spulenanordnung (20; 50) um einen Werkzeug wirkbereich (40) angeordnet sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18; 48) der Spulenanordnung (20; 50) so ange ordnet und ausgebildet sind, daß ein feldfreier Bereich bildbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18; 48) der Spulenanordnung (20; 50) so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie einen feld freien Bereich umschließen.

4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugwirkbereich (40) in dem feldfreien Bereich liegt.

5. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (20; 50) an einem Bearbeitungskopf (14) des Bearbeitungswerkzeugs fixiert ist.

6. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest dem Werkstück (16) zuge wandte Enden (14) der Spulen (18; 48) der Spulenanord nung (20; 50) in einer Ebene liegen.

7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18; 48) der Spulenanord nung (20; 50) im wesentlichen die gleiche Induktivität aufweisen.

8. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18) der Spulenanordnung (20) in Serie geschaltet sind.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spulen der Spulenanordnung parallel geschaltet sind.

10. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen oder mehrere Oszillatoren (42) umfaßt, wobei ein Schwingkreis eines Oszillators (42) eine oder mehrere Spulen (18) der Spulenanordnung (20) umfaßt.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (42) vorgesehen ist, wobei ein Schwingkreis des Oszillators (42) eine Reihenschaltung der Spulen (18) der Spulenanordnung (20) umfaßt.

12. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18; 48) der Spulenanord nung (20; 50) im wesentlichen symmetrisch um eine Achse (22) des Bearbeitungswerkzeugs angeordnet sind.

13. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18) der Spulenanordnung (20) im wesentlichen ringförmig um eine Achse (22) des Bearbeitungswerkzeugs angeordnet sind.

14. Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßfeld eine im wesentlichen zylindrische Einhüllende aufweist.

15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (48) der Spulenanordnung (50) zumindest näherungsweise an Ecken eines regel mäßigen Vielecks positioniert sind.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (48) der Spulenanordnung (50) zumindest nähe rungsweise an Ecken eines Quadrats positioniert sind.

17. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (18; 48) der Spulenanord nung (20; 50) streufeldarm ausgebildet sind.

18. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (18; 48) einen Spulenkern (30) zur Feldführung aufweist.

19. Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern (30) aus Ferrit ist.

20. Sensor nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkern als Topfkern (30) ausgebildet ist.

21. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (18; 48) eine Abschirmung gegen kapazitive Einflüsse aufweist.

22. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (18; 48) eine Kapselung (28) aufweist.

23. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Abstands zwischen Bearbeitungswerkzeug und Werkstück (16) die Auswerte einheit (44; 52) die Frequenz eines Oszillators (42) ermittelt, welcher einen Schwingkreis umfaßt, der durch eine oder mehrere Spulen (18; 48) der Spulenanordnung (20; 50) gebildet ist.

24. Sensor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter eines Oszillators (42) so gewählt sind, daß die Messung einer Frequenzänderung des Oszillators (42) in einem Frequenzbereich erfolgt, in dem diese Frequenz änderung bei Änderung des Abstands (d) zwischen Sensor und Werkstück (16) im wesentlichen unabhängig vom Material des Werkstücks (16) ist.

25. Sensor nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (44; 52) einen Frequenz- Spannungs-Wandler (54) umfaßt.

26. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Oszillatoren vor gesehen ist, welche jeweils einen Schwingkreis umfassen, der eine oder mehrere Spulen (48) der Spulenanordnung (50) umfaßt, wobei die Auswerteeinheit (52) zur Ermitt lung des Abstands die Signale eines oder mehrere Oszillatoren unberücksichtigt läßt, wenn die Oszilla toren unterschiedliche Signale liefern.

27. Sensor nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß nur der oder die Oszillatoren berücksichtigt werden, die die stärksten Signale liefern.

28. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (44) über die Spulen (18) der Spulenanordnung (20) mittelt.