DE10129819C2 - Messgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messgerät zur berührungslosen Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander translatorisch verstellbarer Bauteile, insbesondere zur Bestimmung der Lage eines in einem Zylinder eingesetzten und mit Spannbacken eines Kraftspannfutters in Triebverbindung stehenden Verstellkolbens, wobei das eine Bauteil als Messwertgeber und das andere Bauteil als ein mit diesem zusammenwirkenden Sensor ausgebildet ist, der Sensor aus einer Vielzahl von über den Verstellbereich des Meßwertgebers angeordneten Meßköpfe besteht, die an eine eine Auswerteschaltung aufweisende Recheneinheit angeschlossen sind, in der in einem Speicher der bei einer Kalibrierung des Meßgerätes in Abhängigkeit von der Lage des Meßwertgebers ermittelte Signalverlauf der einzelnen Meßköpfe hinterlegt und nach einer axialen Verstellbewegung des Meßwertgebers durch Vergleich der durch diesen in dem Meßfeld jeweils erzeugten Signale mit dem gespeicherten Signalverlauf die Lage des verstellbaren Bauteils bestimmbar ist.

Ein elektronischer Positionsgeber dieser Art ist durch die DE 32 44 891 A1 bekannt. Bei dieser Einrichtung besteht der Sensor aus einer Vielzahl auf unterschiedlichen Ferriten als Träger in gleicher mechanischer Anordnung mit definiertem Abstand angebrachten Spulen, die mit einem ebenfalls als Spule ausgebildete Meßwertgeber zusammenwirken. Wird an die einzelnen Spulen nacheinander oder gleichzeitig ein Spannungspuls oder eine Wechselspannung angelegt, unterscheiden sich die Signale in den einzelnen Spulen, je nachdem in welcher Position der Meßwertgeber als Positionsindikator zu einer der gegenüberliegenden Spulen steht. Werden die einzelnen Spulen, zum Beispiel mit Hilfe eines elektronischen Multiplexers abgefragt, sind die unterschiedlichen Signaleingänge unmittelbar ein Maß für die Position des Meßwertgebers.

Zuleitungen zu dem verstellbaren Meßwertgeber entfallen zwar, vielfach sind aber Meßungenauigkeiten in Kauf zu nehmen, da sich die Magnetfelder der den Sensor bildenden Spulen überschneiden und eine exakte Zuordnung des Meßwertgebers somit vielfach nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es demnach, ein Messgerät zur berührungslosen Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander translatorisch verstellbarer Bauteile zu schaffen, das nicht nur auf äußerst wirtschaftliche Weise herzustellen ist, sondern mit dem auch Fehlmessungen zuverlässig vermieden werden. Ein magnetischer Schlag sowie äußere Einflüsse, die zu Messungenauigkeiten führen können, sollen hierbei nicht in Kauf zu nehmen sein; vielmehr soll das Messgerät mit einem zugeordneten Verbraucher funktionsfähig sein, so daß auf sehr einfache Weise eine exakte Bestimmung der jeweiligen axialen Lage des zu überwachenden Bauteils ermöglicht wird.

Bei dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Messgerät zur berührungslosen Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander translatorisch verstellbarer Bauteile wird dies dadurch erreicht, daß der Meßwertgeber als Schaltring ausgebildet ist und aus einem metallischem, vorzugsweise ferromagnetischen Werkstoff besteht und daß der Schaltring auf der dem Sensor zugekehrten Stirnfläche mit einer durch mindestens eine in diese eingearbeitete Vertiefung gebildete Profilierung versehen ist.

Die Flanken der Vertiefung können hierbei achsensenkrecht oder trapezförmig nach innen oder außen zu der Stirnfläche des Schaltringes geneigt verlaufend oder konvex bzw. konkav gekrümmt ausgebildet sei, wobei es angebracht ist, in die Stirnfläche des Schaltringes zwei mit seitlichem Abstand zueinander angeordneten Vertiefungen einzuarbeiten.

Bei einem Schaltring mit achsensenkrecht zu dessen Stirnfläche in diese eingearbeitete Vertiefungen ist es angezeigt, die Vertiefungen und die durch diese gebildeten Nocken gleich breit zu bemessen.

Der seitliche Abstand der Meßköpfe kann unterschiedlich zu dem seitlichen Abstand zweier gleich gerichteter Flanken zweier Nocken bemessen sein.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sollte sich der Abstand der Meßköpfe zum Abstand der Flanken wie drei zu vier verhalten.

Die Meßköpfe sollten über den Verstellbereich des Schaltringes äquidistant, vorzugsweise in der Linie, angeordnet sein. Auch können die Meßköpfe, die ein aus einzelnen Feldern zusammengesetztes elektromagnetisches Meßfeld erzeugen, jeweils aus einem Ferritschalenkern und einem Spulenpaket gebildet sein.

Wird ein Messgerät gemäß der Erfindung ausgebildet, so ist es möglich, die jeweilige Lage des translatorisch verstellbaren Bauteils ohne großen Bauaufwand zu ermitteln. Von den induktiven Messköpfen, die aus Ferrit-Schalenkernen mit z. B. im Schnitt 3,3 mm für induktive Näherungsschalter sowie einem Spulenpaket auf Kupferlackdraht 0,028 mm mit zwei mal 170 Windungen bestehen können, wird nämlich entlang der Messstrecke ein aus den jeweiligen Einzelfeldern zusammengesetztes elektromagnetisches Messfeld erzeugt. Befindet sich der Schaltring im Arbeitsbereich der Messköpfe, so werden diese über die Einwirkung des Schaltringes auf die zugehörenden elektromagnetischen Einzelfelder beeinflußt. Bei ferromagnetischen oder elektrisch leitfähigen Objektmaterialien führt dies zu einer Veränderung der Induktivität des Messkopfes als auch zu Wirbelstromverlusten, wobei sich grundsätzlich beide Effekte entgegenwirken. Bei nicht ferromagnetischen Objektmaterialien treten hingegen nur Wirbelstromverluste auf. Diese Effekte können mit dafür geeigneten Schaltungen gemessen werden. Aus dem aktuellen Bedämpfungsprofil der einzelnen Messköpfe kann mit einem Auswertealgorithmus die aktuelle axiale Position des Schaltringes berechnet werden, und zwar unabhängig vom Drehwinkel und innerhalb gewisser Grenzen vom radialen Abstand zwischen Schaltring und Messkopf.

Die Stirnfläche des aus einem handelsüblichen Stahl hergestellten Schaltringes ist zweckmäßigerweise derart zu profilieren, daß dessen Oberfläche drei Nocken bildet. Diese bewirken eine Erhöhung der Messgenauigkeit, da pro Längeneinheit mehr Signalflanken zur Auswertung produziert werden. Diese Steigerung wird genutzt, um die Anzahl der Messköpfe möglichst gering zu halten und um deren Abstand zueinander möglichst groß wählen zu können. Damit wird das Meßsystem zum einen kostengünstig, zum anderen wird die gegenseitige Beeinflussung der Messköpfe vermieden.

In der Praxis läßt sich jedoch kein idealer dreieckförmiger Signalverlauf erzielen, da sich u. a. die Maxima und Minima deutlich abflachen. Signale mit waagrechtem oder senkrechtem Verlauf sind für die Auswertung ungeeignet, da sie keine eindeutige Weginformation enthalten. Es befinden sich aber immer zwei Messsignale zwischen y = 0,25 und y = 0,75, demnach in einem Bereich, in dem auch in der Praxis eine lineare Steigung erzeugt werden kann. Mit dem jeweils größten Einzelsignal y < 0,75 lassen sich somit mehrere mögliche Grobpositionen und mit dem zweit- und drittgrößten Signal (0,25 < y < 0,75) durch eine lineare Interpolation und einer Signalverknüpfung die endgültige und eindeutige Position unter Berücksichtigung der Grobposition errechnen.

Die durch die einzelnen Messköpfe erzeugten Signale können durch eine Normierung derart prozessiert werden, daß Gleichtaktstörungen, die auf alle Messköpfe wirken, nahezu vollständig eliminiert werden. Zu diesen Störungen zählen u. a. Temperaturschwankungen, Änderungen der Stahleigenschaften des Schaltringes unter Temperatur- oder Fliehkrafteinfluß, Alterungs- und Temperaturdrift der Analogelektronik sowie eine Änderung des Abstandes vom Schaltring zu den Messköpfen.

Durch einen Vergleich der vorverarbeiteten Signalverläufe mit den in einem Speicher hinterlegten Signalverläufen, die bei einer Kalibrierung des Messgerätes ermittelt wurden, ist somit auf einfache Weise die jeweilige Lage des translatorisch verstellbaren Bauteils, nämlich des Schaltringes und demnach in Abhängigkeit von diesem auch die Lage des Spannkolbens, dessen Lage sich bei einem Spannkraftverlust ändert, leicht bestimmbar. Dabei ist es unbeachtlich, ob das translatorisch bzw. linear verstellbare Bauteil nur eine derartige Bewegung ausführt oder dabei auch rotiert. Auf den Signalverlauf hat eine rotatorische Bewegung keinen Einfluß. Die Spannkraft eines Kraftspannfutters ist demnach über eine Lageänderung des auf dessen Spannbacken einwirkenden Verstellkolbens leicht zu überwachen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Messgerätes dargestellt, das nachfolgend im einzelnen erläutert ist. Hierbei zeigt

Fig. 1 das einem Kraftspannfutter zugeordnete Messgerät in einer schematische Darstellung,

Fig. 2 den bei der Kalibrierung des Messgerätes nach Fig. 1 ermittelten Signalverlauf der den Sensor bildenden Messköpfe,

Fig. 3 das Messgerät nach Fig. 1 vor Inbetriebnahme,

Fig. 4 ein durch die Nocken des Schaltringes erzeugtes Signaldiagramm der Messköpfe,

Fig. 5 das Zustandsdiagramm einzelner Sensoren in einer Betriebsstellung und,

Fig. 6 einen Schaltring mit unterschiedlich ausgebildeten Flanken, in einer vergrößerten Darstellung.

Das in den Fig. 1 und 3 dargestellte und mit 1 bezeichnete Messgerät dient zur berührungslosen Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander translatorisch verstellbarer Bauteile, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur Bestimmung der Lage eines in einem Zylinder 5 eingesetzten und von einem in einem Druckraum 9 zugeführten Druckmittel beaufschlagbaren Verstellkolbens 6, der über eine Kolbenstange 7 mit den Spannbacken 3 eines Kraftspannfutters 2 in Triebverbindung steht. Auf diese Weise ist es möglich, die Spannkraft, die auf ein zwischen den Spannbacken 3 des Kraftspannfutters 2 eingesetztes Werkstück 4 ausgeübt wird, zu überwachen, da sich bei einem Druckabbau in dem Druckraum 9 des Spannzylinders 5 die axiale Lage des Verstellkolbens 6 verändert.

Das Messgerät 1 besteht hierbei aus einem mit dem Verstellkolben 6 über eine Stange 8 zwangläufig verbunden Messwertgeber 11, der als Schaltring 12 aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet ist, und einem Sensor 21, der gemäß Fig. 3 aus einzelnen Messköpfen 22, 22', 22", 22''' . . . zusammengesetzt ist. Die Messköpfe 22, 22', 22", 22''' . . . sind über den Verstellbereich s des Schaltringes 12 äquidistant in einer Linie angeordnet und erzeugen, da diese jeweils aus einem Ferritschalenkern sowie einem Spulenpaket gebildet sind, ein aus einzelnen Feldern 23, 23', 23" . . . zusammengesetztes elektromagnetisches Feld 24.

Der Schaltring 12 ist, wie dies insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, auf der dem Sensor 21 zugekehrten Stirnfläche mit einer Profilierung 13 ausgestattet, in dem in diese zwei Vertiefungen 14 eingearbeitet sind, so daß drei Nocken 16 verblieben sind. Die Flanken 15 der Vertiefungen 14 verlaufen bei diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Stirnfläche des Schaltringes 12, des weiteren sind die Vertiefungen 14 und die Nocken 16 gleich breit bemessen.

Die einzelnen gleichmäßig über den Verstellbereich s des Schaltringes 12 verteilt angeordneten induktiven Messköpfe 22, 22', 22", 22''' . . . sind mit einem Abstand a zueinander in Linie aufgebaut, der sich zu dem Abstand b zweier gleich gerichteter Flanken 14 des Schaltringes wie drei zu vier verhält. Auf diese Weise wird, ähnlich wie bei einer Noniusteilung von Messschiebern, die Meßgenauigkeit erhöht, da pro Längeneinheit mehr Signalflanken zur Auswertung produziert werden. Dadurch kann die Anzahl der Messköpfe 22, 22', 22", 22''' . . . gering und deren Abstand zueinander groß gehalten werden. Auch wird eine gegenseitige Beeinflussung der Messköpfe nahezu vermieden.

Die Flanken 15', 15" bzw. 15" der die Vertiefungen 14' begrenzenden Vorsprünge 16 können aber auch, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, trapezförmig nach innen geneigt bzw. konvex oder konkav gekrümmt ausgebildet sein.

In Fig. 2 ist ein realer Signalverlauf 26 der einzelnen Messköpfe 22, 22', 22", 22''' . . . dargestellt, der bei einer Kalibrierung des Messgerätes 1 in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des Schaltringes 12 ermittelt und in einem Speicher einer Recheneinheit 25, die über eine Leitung 27 mit den einzelnen Messköpfen 22, 22', 22", 22''' . . . verbunden ist, hinterlegt ist.

Um die tatsächliche Lage des Verstellkolbens 6 zu ermitteln, sind lediglich die jeweils erzeugten Signale mit dem realistischen gespeicherten Signalverlauf 26 mit Hilfe der Recheneinheit 25 miteinander zu vergleichen, um auf diese Weise die Lage des Schaltringes 12 zu bestimmen. Da bereits bei einer geringen Lageänderung des Verstellkolbens 6 eine Änderung der Signale hervorgerufen wird, ist eine exakte Überwachung der auf die Spannbacken 3 des Kraftspannfutters 2 einwirkenden Spannkraft ohne großen Fertigungsaufwand zu bewerkstelligen. Dabei ist es unbeachtlich, ob der Schaltring 12 bei der translatorischen Verstellbewegung nur diese Bewegung ausführt oder auch rotiert.

In Fig. 4 ist das Signaldiagramm der Messköpfe 22, 22', 22" und 22''' dargestellt, das durch die Nocken 16 des Schaltringes 12 beim Überfahren der Messköpfe 22, 22', 22" und 22''' erzeugt wird. Fig. 5 gibt das Bedämpfungsdiagramm für die Messköpfe 22, 22', 22" und 22''' mit dem jeweiligen Bedämpfungsgrad wieder.

Claims (9)

1. Messgerät (1) zur berührungslosen Bestimmung der Lage zweier relativ zueinander translatorisch verstellbarer Bauteile (11 bzw. 21), insbesondere zur Bestimmung der Lage eines in einem Zylinder (5) eingesetzten und mit Spannbacken (3) eines Kraftspannfutters (2) in Triebverbindung stehenden Verstellkolbens (6), wobei das eine Bauteil als Messwertgeber (11) und das andere Bauteil als ein mit diesem zusammenwirkender Sensor (21) ausgebildet ist, der Sensor (21) aus einer Vielzahl von über den Verstellbereich (5) des Meßwertgebers (11) angeordneten Meßköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) besteht, die an eine eine Auswerteschaltung aufweisende Recheneinheit (25) angeschlossen sind, in der in einem Speicher der bei einer Kalibrierung des Messgerätes (1) in Abhängigkeit von der Lage des Meßwertgebers (11) ermittelte Signalverlauf (26) der einzelnen Messköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) hinterlegt ist und nach einer axialen Verstellbewegung des Meßwertgebers (11) durch Vergleich der durch diesen in dem Messfeld (24) jeweils erzeugten Signale mit dem gespeicherten Signalverlauf (26) die Lage des verstellbaren Bauteils (11) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber (11) als Schaltring (12) ausgebildet ist und aus einem metallischem, vorzugsweise ferromagnetischen Werkstoff besteht und daß der Schaltring (12) auf der dem Sensor (21 bzw. 22, 22', 22" . . .) zugekehrten Stirnfläche mit einer durch mindestens eine in diese eingearbeitete Vertiefung (14) gebildete Profilierung (13) versehen ist.

2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (15, 15', 15", 15''') der Vertiefungen (14, 14') achsensenkrecht oder trapezförmig nach innen oder außen zu der Stirnfläche des Schaltringes (12) geneigt verlaufend oder konvex bzw. konkav gekrümmt ausgebildet sind.

3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stirnfläche des Schaltringes (12) zwei mit seitlichem Abstand zueinander angeordnete Vertiefungen (14, 14') eingearbeitet sind.

4. Messgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Schaltring (12) mit achsensenkrecht zu dessen Stirnfläche in diese eingearbeiteten Vertiefungen (14) die Vertiefungen (14) und die durch diese gebildeten Nocken (16) gleich breit bemessen sind.

5. Messgerät nach einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand (a) der Messköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) unterschiedlich zu dem seitlichen Abstand (b) zweier gleich gerichteter Flanken (15) zweier Nocken (16) bemessen ist.

6. Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Messköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) sich zum Abstand (b) der Flanken (15) wie drei zu vier verhält.

7. Messgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Messköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) über den Verstellbereich (s) des Schaltringes (12) äquidistant, vorzugsweise in einer Linie, angeordnet sind.

8. Messgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) jeweils aus einem Ferritschalenkern sowie einem Spulenpaket gebildet sind.

9. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßköpfe (22, 22', 22", 22''' . . .) ein aus einzelnen Feldern (23, 23', 23", 23''' . . .) zusammengesetztes elektromagnetisches Meßfeld (24) erzeugen.