DE10152130A1

DE10152130A1 - Work head for application of a bead of material onto a workpiece surface has a capacitor for measurement of the distance between it and the surface thus ensuring a constant distance can be maintained and an even bead applied

Info

Publication number: DE10152130A1
Application number: DE10152130A
Authority: DE
Inventors: Georg Spoerl; Robert Borgstroem
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Work head (1) for treatment of a workpiece (3), whereby an outlet channel (6) is arranged over the workpiece for guiding a material with a dielectric constant of greater than 1 onto the material surface. The outlet channel is surrounded by an induction coil (8) with a capacitor electrode (13) for capacitive measurement of the perpendicular distance between the workpiece and the outlet channel.

Description

Die Erfindung betrifft einen Arbeitskopf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to a working head according to the preamble of Claim 1.

Aus der DE 199 11 958 A1 ist bereits ein Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks bekannt, der einen dem Werkstück zugewandten Austrittskanal zum Hindurchleiten eines Materials mit einer Dielektrizitätskonstanten ε > 1 aufweist, wobei der Austrittskanal von einer Induktionsspule umgeben ist. Mit Hilfe des Arbeitskopfs soll Material auf das Werkstück aufgetragen werden, und zwar in Form einer gleichmäßigen Auftragsraupe. Zu diesem Zweck muß allerdings der Abstand zwischen Arbeitskopf und Werkstück konstant gehalten werden, wozu ein Wechselstrom durch die Induktionsspule hindurchgeleitet wird, die Teil eines Schwingkreises ist, dessen Schwingfrequenz auf Änderungen überwacht wird, die sich infolge von Abstandsänderungen zwischen Werkstück und Arbeitskopf ergeben. In einem geschlossenen Regelkreis wird dann dafür gesorgt, daß der gemessene Abstand zwischen Arbeitskopf und Werkstück auf einem vorgegebenen Abstand gehalten wird, um das gewünschte Arbeitsergebnis zu erzielen. DE 199 11 958 A1 already discloses a working head for processing a Known workpiece, the an outlet channel facing the workpiece for passing a material with a dielectric constant ε> 1 has, wherein the outlet channel is surrounded by an induction coil. With the help of the working head, material is to be applied to the workpiece in the form of an even bead. To this end However, the distance between the working head and the workpiece must be constant are held, including an alternating current through the induction coil is passed through, which is part of an oscillating circuit, the oscillation frequency is monitored for changes that result from changes in distance between workpiece and working head. In a closed Control loop is then ensured that the measured distance between Working head and workpiece is held at a predetermined distance to achieve the desired work result.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Arbeitskopf der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er auch in seitlicher Richtung Abstände zu Werkstückstrukturen messen kann, ohne daß dabei wesentliche Einbußen an seiner Kompaktheit hinzunehmen sind. The invention has for its object the working head of the beginning mentioned type in such a way that it also spaced in the lateral direction to measure workpiece structures without significant losses to be tolerated by its compactness.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. The solution to the problem is in the characterizing part of Claim 1 specified. Advantageous embodiments of the invention are the See subclaims.

Ein Arbeitskopf nach der Erfindung zur Bearbeitung eines Werkstücks, der einen dem Werkstück zugewandten Austrittskanal zum Hindurchleiten eines Materials mit einer Dielektrizitätskonstanten ε > 1 aufweist, den eine Induktionsspule umgibt, zeichnet sich dadurch aus, daß er ferner eine Kondensatorelektrode zur kapazitiven Messung eines Abstands zwischen ihr und dem Werkstück in einer quer zur Längsrichtung des Austrittskanals liegenden Richtung trägt. A working head according to the invention for machining a workpiece, the an outlet channel facing the workpiece for passing a Material with a dielectric constant ε> 1, the one Surrounding induction coil is characterized in that it also has a Capacitor electrode for the capacitive measurement of a distance between it and the Workpiece in a transverse to the longitudinal direction of the outlet channel Direction carries.

Dadurch wird es möglich, das genannte Material, bei dem es sich zum Beispiel um eine Klebe- oder Dichtmasse handeln kann, auch exakt parallel zu einem Falz oder einer anderen Werkstückstruktur auftragen zu können, was in vielen Fällen gefordert wird. Die zusätzliche Kondensatorelektrode ist relativ leicht und klein, so daß sich durch sie die Kompaktheit des Arbeitskopfes praktisch nicht verschlechtert. Er läßt sich daher nach wie vor gut in Bereichen auch zwischen eng benachbarten Werkstückstrukturen einsetzen. This makes it possible to use the material mentioned Example can be an adhesive or sealant, also exactly parallel to to be able to apply a fold or other workpiece structure, what is required in many cases. The additional capacitor electrode is relatively light and small, so that the compactness of the working head practically not deteriorated. It can therefore still be used in Use areas between closely adjacent workpiece structures.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Kondensatorelektrode in der Nähe der Induktionsspule angeordnet, um die Abstandsmessung quer zur Längsrichtung des Austrittskanals möglichst nahe zum Spitzenbereich des Arbeitskopfes ausführen zu können, damit derartige, seitliche Abstandsmessungen auch in Bezug auf relativ kleine Werkstückstrukturen durchgeführt werden können. Dabei kann zum Beispiel die Kondensatorelektrode von einem durch die Induktionsspule gebildeten Spulenpaket getragen werden. In diesem Fall ergibt sich eine aus zwei Meßvorrichtungen bestehende Baueinheit, die sich in einfacher Weise auf den Austrittskanal aufsetzen läßt, was die Montage des Arbeitskopfes vereinfacht oder den Austausch der Baueinheit. According to one embodiment of the invention, the capacitor electrode is in the Arranged near the induction coil to measure the distance across Longitudinal direction of the outlet channel as close as possible to the tip area of the Working head to be able to perform such lateral Distance measurements also carried out in relation to relatively small workpiece structures can be. For example, the capacitor electrode of a coil package formed by the induction coil are carried. In in this case there is a measuring device consisting of two Unit that can be placed on the outlet channel in a simple manner, what the assembly of the working head simplified or the exchange of Unit.

Vorzugsweise ist die Kondensatorelektrode plattenförmig ausgebildet, um eine gewünschte Richtwirkung zu erzielen. Dabei ist nach einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Kondensatorelektrode an einem Umfangsabschnitt der Induktionsspule angeordnet, was die Gefahr minimiert, daß sich die Felder von Induktionsspule und Kondensatorelektrode gegenseitig negativ beeinflussen. The capacitor electrode is preferably designed in the form of a plate in order to to achieve the desired directivity. Doing so is very beneficial Embodiment of the invention, the capacitor electrode on one Arranged circumferential portion of the induction coil, which minimizes the risk that the fields of induction coil and capacitor electrode are mutually negative influence.

Um diesem Ziel noch näher zu kommen, ist vorteilhafterweise eine wenigstens zwischen der Kondensatorelektrode und der Induktionsspule liegende Schirmelektrode vorgesehen, die auf Schirmpotential gelegt wird, um Induktionsspule und Kondensatorelektrode gegeneinander abzuschirmen. Beim Schirmpotential kann es sich um aktives Schirmpotential handeln, welches aus einer an die Kondensatorelektrode angelegten, wechselförmigen Meßspannung gewonnen wird, indem etwa die wechselförmige Meßspannung über einen Verstärker mit vorgegebenem Verstärkungsgrad zur Schirmelektrode geführt wird. In order to get even closer to this goal, at least one is advantageously between the capacitor electrode and the induction coil Shield electrode is provided, which is connected to shield potential Shield induction coil and capacitor electrode against each other. At the Screen potential can be active screen potential, which from an alternating one applied to the capacitor electrode Measuring voltage is obtained by about the alternating measuring voltage an amplifier with a given gain to the shield electrode to be led.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: The invention is described in more detail below with reference to the drawing described. Show it:

Fig. 1 ein als Düse ausgebildeter Arbeitskopf im Längsschnitt mit induktivem und kapazitivem Abstandssensor; FIG. 1 is designed as a nozzle working head in longitudinal section with inductive and capacitive distance sensor;

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm des induktiven Abstandssensors nach Fig. 1; FIG. 2 shows a circuit diagram of the inductive distance sensor according to FIG. 1;

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Meßschaltung mit Stromquelle zur kapazitiven Abstandsmessung; Fig. 3 is a schematic diagram of a measuring circuit with a current source for capacitive distance measurement;

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Einrichtung zur kapazitiven Abstandsmessung; Fig. 4 is a block diagram of the means for capacitive distance measurement;

Fig. 5 ein weiteres, schematisches Blockschaltbild einer Schaltung zur kapazitiven Abstandsmessung, und Fig. 5 is another schematic block diagram of a circuit for capacitive distance measurement, and

Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild eines in der Schaltung nach Fig. 5 vorgesehenen Rechenwerks. Fig. 6 is a schematic block diagram of an arithmetic unit provided in the circuit of FIG. 5.

Ein erfindungsgemäßer Arbeitskopf gemäß Fig. 1 ist zum Beispiel in Form einer Auftragsdüse 1 ausgebildet. Sie kann zum Beispiel aus Metall oder einem anderen, geeigneten Material bestehen und eignet sich dazu, fließfähiges Material 2 in Richtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück 3 auszugeben. Zu diesem Zweck muß die Auftragsdüse 1 in konstantem Abstand 4 relativ zum Werkstück 3 gehalten werden, was eine Abstandsregelung erfordert, wenn die Auftragsdüse 1 parallel zur Oberfläche des Werkstücks 3 bewegt wird. An inventive working head according to FIG. 1 is designed, for example, in the form of an application nozzle 1 . It can be made of metal or another suitable material, for example, and is suitable for dispensing flowable material 2 in the direction of a workpiece 3 to be machined. For this purpose, the application nozzle 1 must be kept at a constant distance 4 relative to the workpiece 3 , which requires a distance control if the application nozzle 1 is moved parallel to the surface of the workpiece 3 .

Die Auftragsdüse 1 weist einen Innenkanal 5 auf, der sich zur Düsenspitze hin konisch verjüngt und dort in einen Zylinderkanal 6 mit konstantem Innendurchmesser übergeht. Auf der Außenseite einer den Zylinderkanal 6 umgebenden Kanalwandung 7 sitzt konzentrisch zum Innenkanal 5 eine Induktionsspule 8, die mehrere Windungen aufweist. Diese konzentrische Induktionsspule 8 ist an der Auftragsdüse 1 befestigt und in Form eines Spulenpakets 9 ausgebildet, das eine kreisringförmige Struktur mit rechteckförmigem Querschnitt aufweist. Hierzu können die Windungen der Induktionsspule 8 in geeignetes Material fest eingegossen sein. The application nozzle 1 has an inner channel 5 , which tapers conically towards the tip of the nozzle and merges there into a cylinder channel 6 with a constant inner diameter. On the outside of a channel wall 7 surrounding the cylinder channel 6, an induction coil 8 is seated concentrically with the inner channel 5 and has several turns. This concentric induction coil 8 is fastened to the application nozzle 1 and is designed in the form of a coil package 9 which has an annular structure with a rectangular cross section. For this purpose, the turns of the induction coil 8 can be cast in a suitable material.

Das Spulenpaket 9 wird oben, unten und außen von einem Metallblech 10 umgeben und dadurch gegenüber äußeren, elektrischen Feldern abgeschirmt. Innen ist das Spulenpaket 9 durch die Kanalwandung 7 gegenüber äußeren elektrischen Feldern abgeschirmt, da auch die Kanalwandung 7, ebenso wie die gesamte Auftragsdüse 1, aus Metall bestehen kann. Somit läßt sich über die aus Metall bestehende Auftragsdüse 1 Erd- oder Schirmpotential zu Abschirmzwecken ans Metallblech 10 anlegen, das z. B. ein Kupferblech sein kann. The coil package 9 is surrounded at the top, bottom and outside by a metal sheet 10 and is therefore shielded from external electrical fields. Inside, the coil package 9 is shielded from external electrical fields by the channel wall 7 , since the channel wall 7 , like the entire application nozzle 1 , can also be made of metal. Thus, earth or shielding potential can be applied to the metal sheet 10 for shielding purposes via the metal application nozzle 1 . B. can be a copper sheet.

Auf der oberen Seite des Metallblechs 10 und diesem gegenüber isoliert befindet sich eine Auswerteschaltung 11, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2 näher erläutert wird. Diese Auswerteschaltung 11 ist über ein Kabel 12 mit einer nicht dargestellten Regeleinrichtung verbunden, um abhängig vom Ergebnis der Auswerteschaltung 11 den Abstand 4 der Auftragsdüse 1 vom Werkstück 3 konstant zu regeln. Die Regeleinrichtung steuert einen mit der Auftragsdüse 1 verbundenen und ebenfalls nicht dargestellten, mechanischen Antrieb zur Verschiebung der Auftragsdüse 1 senkrecht zum Werkstück 3 in Abhängigkeit des Ausgangs der Auswerteschaltung 11. Durch einen weiteren Antrieb lassen sich Auftragsdüse 1 und Werkstück 3 relativ zueinander in Horizontalrichtung des Werkstücks 3 bzw. dessen Oberfläche 3a bewegen. On the upper side of the metal sheet 10 and insulated from it there is an evaluation circuit 11 , which is explained in more detail below with reference to FIG. 2. This evaluation circuit 11 is connected via a cable 12 to a control device (not shown ) in order to constantly control the distance 4 of the application nozzle 1 from the workpiece 3 as a function of the result of the evaluation circuit 11 . The control device controls a mechanical drive connected to the application nozzle 1 and likewise not shown, for displacing the application nozzle 1 perpendicular to the workpiece 3 as a function of the output of the evaluation circuit 11 . The application nozzle 1 and workpiece 3 can be moved relative to one another in the horizontal direction of the workpiece 3 or its surface 3a by a further drive.

Wie die Fig. 1 weiter erkennen läßt, befindet sich auf einem Umfangsabschnitt des Spulenpakets 9 eine plattenförmige, ebene Kondensatorelektrode 13, die mit dem Innenleiter 14 eines Koaxialkabels 15 elektrisch verbunden ist. Über den Innenleiter 14 wird der Kondensatorelektrode 13 eine wechselförmige Meßspannung zugeführt, wie noch ausgeführt werden wird. Zwischen der Kondensatorelektrode 13 und einer ihr gegenüberliegenden Werkstückkante 16 baut sich dann ein elektrisches Meßfeld 17 auf. Die Werkstückkante 16 ist die Begrenzung eines erhabenen Teils oberhalb der Oberfläche 3a des Werkstücks 3. Die Kondensatorelektrode 13 selbst ist über eine elektrisch isolierende Verbindung fest auf einer Schirmelektrode 18 montiert, die ihrerseits fest an der Umfangsoberfläche des Spulenpakets 9 angebracht ist. Die Schirmelektrode 18 überragt die Kondensatorelektrode 13 in deren seitlichen Bereichen, ist also größer als diese. Dabei ist die Schirmelektrode 18 ebenfalls plattenförmig ausgebildet und empfängt aktives Schirmpotential über die elektrisch leitende Schirmung des Koaxialkabels 15. Dieses aktive Schirmpotential wird zum Beispiel dadurch erhalten, daß die wechselförmige Meßspannung über einen Verstärker mit gewünschtem Verstärkungsgrad auf den Schirmmantel des Koaxialkabels 15 gegeben wird. Durch die Schirmelektrode 18 wird somit ein Abschirmfeld 19 erzeugt, das das elektrische Meßfeld 17umgibt und dieses bündelt. Alternativ könnte die Schirmelektrode 18 auch durch das Metallblech 10 ersetzt werden, an das dann aktives Schirmpotential angelegt wird, wobei jetzt jedoch die Richtwirkung des Abschirmfeldes auf das elektrische Meßfeld 17 nicht mehr so stark wäre. As can also be seen in FIG. 1, there is a plate-shaped, flat capacitor electrode 13 on a circumferential section of the coil package 9 , which is electrically connected to the inner conductor 14 of a coaxial cable 15 . An alternating measuring voltage is supplied to the capacitor electrode 13 via the inner conductor 14 , as will be explained below. Between the capacitor electrode 13, and an opposite edge of the workpiece 16 it is then an electrical measurement field 17 built up. The workpiece edge 16 is the boundary of a raised part above the surface 3 a of the workpiece 3 . The capacitor electrode 13 itself is fixed via an electrically insulating connection on a shield electrode 18 , which in turn is firmly attached to the peripheral surface of the coil package 9 . The shield electrode 18 protrudes beyond the capacitor electrode 13 in its lateral areas, that is to say it is larger than this. The shield electrode 18 is also plate-shaped and receives active shield potential via the electrically conductive shield of the coaxial cable 15 . This active shield potential is obtained, for example, by the alternating measuring voltage being applied to the shield jacket of the coaxial cable 15 via an amplifier with the desired degree of amplification. A shielding field 19 is thus generated by the shielding electrode 18 , which surrounds and bundles the electrical measuring field 17 . Alternatively, the shielding electrode 18 could also be replaced by the metal sheet 10 to which active shielding potential is then applied, but the directivity of the shielding field on the electrical measuring field 17 would no longer be as strong.

Die Fig. 2 zeigt die Auswerteschaltung 11 in weiteren Einzelheiten. Fig. 2 shows the evaluation circuit 11 in further detail.

Diese Auswerteschaltung 11 enthält einen LC-Schwingkreis, dessen Frequenz praktisch nur von der durch die Abschirmung 10 konstanten Kapazität C sowie von der abstandsabhängigen Induktivität L der Induktionsspule 8 abhängig ist. This evaluation circuit 11 contains an LC resonant circuit, the frequency of which is practically dependent only on the capacitance C constant by the shield 10 and on the distance-dependent inductance L of the induction coil 8 .

Der LC-Schwingkreis enthält im einzelnen einen Transistor T1, dessen Kollektoranschluß auf Masse liegt und dessen Basisanschluß mit der Induktivität L bzw. der Induktionsspule 8 sowie mit der Kapazität C in einem gemeinsamen Verbindungspunkt P gekoppelt ist. Die jeweils anderen Anschlüsse der Induktivität L und der Kapazität C liegen einerseits über einen Verlustwiderstand V und andererseits direkt auf Masse. Die Kapazität C besteht aus einer fest vorgegebenen Kapazität C1 in Form eines gesonderten Bauteils sowie aus der parallel zur Kapazität C1 liegenden, parasitären Kapazität Cp der Induktionsspule 8. Da die Induktionsspule 8 durch das Metallblech 10 abgeschirmt ist, ist diese parasitäre Kapazität Cp ebenso wie die fest vorgegebene Kapazität C1 konstant. Die Frequenz des Schwingkreises hängt also nur noch von der Induktivität L ab, die sich je nach Abstand 4 zwischen Auftragsdüse 1 und Werkstück 3 verändert. Der in Reihe zur Induktivität L liegende Verlustwiderstand V hat keinen Einfluß auf die Frequenz des Schwingkreises und bewirkt nur eine Amplitudenänderung der HF-Schwingung. Letztere wird aber nicht ausgewertet. The LC resonant circuit contains in particular a transistor T1, the collector connection of which is connected to ground and the base connection of which is coupled to the inductance L or the induction coil 8 and to the capacitance C in a common connection point P. The other connections of the inductance L and the capacitance C are on the one hand via a loss resistor V and on the other hand directly to ground. The capacitance C consists of a fixed predetermined capacitance C1 in the form of a separate component and of the parasitic capacitance Cp of the induction coil 8 lying parallel to the capacitance C1. Since the induction coil 8 is shielded by the metal sheet 10 , this parasitic capacitance Cp, like the fixed predetermined capacitance C1, is constant. The frequency of the resonant circuit therefore only depends on the inductance L, which changes depending on the distance 4 between the application nozzle 1 and the workpiece 3 . The loss resistance V lying in series with the inductance L has no influence on the frequency of the resonant circuit and only causes an amplitude change in the HF oscillation. However, the latter is not evaluated.

Der LC-Schwingkreis enthält ferner einen zweiten Transistor T2, dessen Basisanschluß auf Masse liegt und dessen Kollektoranschluß mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt P verbunden ist. Die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren T1 und T2 sind direkt miteinander verbunden, wobei über einen gemeinsamen Verbindungspunkt ein Widerstand RE jeweils mit den Emitteranschlüssen von T1 und T2 gekoppelt ist. Der andere Anschluß des Widerstands RE liegt auf negativem Potential. Der Kollektor des Transistors T2 bzw. der Verbindungspunkt P sind darüber hinaus einem Eingang eines Vestärkers A zugeführt, dessen Ausgang mit dem Eingang einer Frequenzmeßeinrichtung F verbunden ist. Am Ausgang O der Frequenzmeßeinrichtung F erscheint somit jeweils eine einem Abstand 4 zwischen Auftragsdüse 1 und Werkstück 3 zugeordnete Frequenz, die als Istwert anzusehen ist und auf einen Sollwert zum Beispiel konstant geregelt werden kann. The LC resonant circuit also contains a second transistor T2, the base connection of which is connected to ground and the collector connection of which is connected to the common connection point P. The emitter connections of the two transistors T1 and T2 are connected directly to one another, a resistor RE being coupled to the emitter connections of T1 and T2 via a common connection point. The other connection of the resistor RE is at a negative potential. The collector of the transistor T2 and the connection point P are also fed to an input of a amplifier A, the output of which is connected to the input of a frequency measuring device F. At the output O of the frequency measuring device F, a frequency appears which is associated with a distance 4 between the application nozzle 1 and the workpiece 3 and which is to be regarded as an actual value and can be regulated constantly to a setpoint, for example.

Der in Fig. 2 gezeigte LC-Schwingkreis ist als Differenzverstärker realisiert. Da das Basispotential von T1 mit dem Kollektorpotential von T2 in Phase ist, kann man die Mitkopplung durch direkte Verbindung erzeugen. Die Schleifenverstärkung ist zur Steilheit der Transistoren proportional. Sie läßt sich durch Änderung des Emitterstroms in weiten Grenzen einstellen. The LC resonant circuit shown in FIG. 2 is implemented as a differential amplifier. Since the base potential of T1 is in phase with the collector potential of T2, the positive feedback can be generated by direct connection. The loop gain is proportional to the slope of the transistors. It can be set within wide limits by changing the emitter current.

Um die Regelkreisdynamik unabhängig vom Abstand 4 zwischen Auftragsdüse 1 und Werkstück 3 zu machen, könnte auch eine Linearisierung der vom Frequenzmesser F gelieferten Ausgangswerte durchgeführt werden. In order to make the control loop dynamics independent of the distance 4 between the application nozzle 1 and the workpiece 3 , the output values supplied by the frequency meter F could also be linearized.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung liefert zum Beispiel bei einer Arbeitsfrequenz von 10 MHz abstandsabhängige Frequenzänderungen im kHz-Bereich, so daß ein gutes Auflösungsvermögen erhalten wird. The circuit shown in FIG. 2, for example, provides distance-dependent frequency changes in the kHz range at an operating frequency of 10 MHz, so that a good resolution is obtained.

Anhand der Fig. 3 wird eine kapazitive Abstandsmessung mit linearem Ausgangssignal erläutert. Sie wird eingesetzt zur seitlichen Messung des Abstands d zwischen dem Arbeitskopf 1 und der Werkstückkante 16. Die kapazitive Abstandsmessung erfolgt unter Verwendung einer Stromquelle, die ausgangsseitig mit einem Meßkondensator C_MESS verbunden ist. Der Meßkondensator C_MESS wird hier durch die Kondensatorelektrode 13 gebildet, die im Abstand d zur Werkstückkante 16 geführt ist. A capacitive distance measurement will be explained with reference to the linear output signal of FIG. 3. It is used for lateral measurement of the distance d between the working head 1 and the workpiece edge 16 . The capacitive distance measurement is carried out using a current source which is connected on the output side to a measuring capacitor C _MESS . The measuring capacitor C _MESS is formed here by the capacitor electrode 13 , which is guided at a distance d from the workpiece edge 16 .

Die Stromquelle empfängt eine Versorgungsspannung U_BATT und liefert ausgangsseitig einen Wechselstrom i_C(t) mit konstanter Amplitude I. Wird mit X_C der Blindwiderstand 1/ω.C des Meßkondensators C_MESS bezeichnet, so ergibt sich für die Spannung am Meßkondensator C_MESS der folgende Ausdruck:

U_C(t) = X_C.i_C(t) (1).
The current source receives a supply voltage U _BATT and supplies an alternating current i _C (t) with a constant amplitude I on the output side. If X _C denotes the reactance 1 / ω.C of the measuring capacitor C _MESS , the voltage at the measuring capacitor C _MESS results in following expression:

U _C (t) = X _C .i _C (t) (1).

Mit X_C = 1/ω.C, ω = 2πf und C = ε.A/d (gilt für idealen Plattenkondensator) sowie mit i_C(t) = I.sin(ωt) folgt:

With X _C = 1 / ω.C, ω = 2πf and C = ε.A / d (applies to ideal plate capacitor) and with i _C (t) = I.sin (ωt) it follows:

Hierin sind d der Abstand zwischen den Kondensatorplatten des Meßkondensators C_MESS, ε die Dielektrizitätskonstante, f die Frequenz, A die Fläche der Kondensatorplatte und I die konstante Amplitude des Wechselstroms i_C(t). Herein d is the distance between the capacitor plates of the measuring capacitor C _MESS , ε the dielectric constant, f the frequency, A the area of the capacitor plate and I the constant amplitude of the alternating current i _C (t).

Betrachtet man den Ausdruck:

als Konstante, sofern die Frequenz f konstant ist, so ergibt sich:

U_C(t) ~ d.sin2πft (3).
Looking at the expression:

as a constant, if the frequency f is constant, we get:

U _C (t) ~ d.sin2πft (3).

Man erhält also am Meßkondensator C_MESS eine sinusförmige Meßspannung U_C(t), deren Amplitude direkt proportional zum Abstand d ist. A sinusoidal measuring voltage U _C (t) is thus obtained at the measuring capacitor C _MESS , the amplitude of which is directly proportional to the distance d.

Die Stromquelle kann im vorliegenden Fall eine phasenabhängige Stromquelle sein, die schaltungstechnisch durch eine Regelschaltung realisiert wird, die eine Spannung über ein konstantes Referenzelement konstant hält, das zum Beispiel ein Widerstand sein kann. Damit ist der Strom durch dieses Referenzelement konstant. In the present case, the current source can be a phase-dependent current source be implemented in terms of circuitry by a control circuit which maintains a constant voltage across a constant reference element that leads to Example can be a resistor. So that is the current through this Reference element constant.

Die Fig. 4 zeigt eine Meßschaltung, die eine derartige phasenabhängige Stromquelle enthält. FIG. 4 shows a measuring circuit containing such a phase-dependent current source.

Diese Schaltung weist ebenfalls den Meßkondensator C_MESS auf, der, wie bereits zuvor erwähnt, durch die Kondensatorelektrode 13 und die Werkstückkante 16 gebildet wird. Über dem Meßkondensator C_MESS fällt die Meßspannung U_MESS(t) ab (entspricht der Spannung U_C(t) in Fig. 3). Der Meßkondensator C_MESS ist über den Innenleiter 14 mit einem Anschluß eines Referenzwiderstands R_ref und ferner mit einem positiven Eingang eines Impedanzwandlers 20 verbunden. Der andere Anschluß des Referenzwiderstands R_ref ist mit dem Ausgang eines Addierers 21 verbunden, der an seinem ersten Eingang a eine Wechsel-Speisespannung U_T(t) = U.sin(ωt) empfängt. Der andere Eingang b des Addierers 21 ist mit dem Ausgang eines Phasenglieds 23 verbunden, dessen Eingang einerseits mit dem Ausgang des Impedanzwandlers 20 und andererseits mit einer Ausgangsklemme 23 der Abstandsmeßschaltung verbunden ist. Der Ausgang des Impedanzwandlers 20 ist ferner auf seinen negativen Eingang zurückgekoppelt. Die die zweite Kondensatorplatte des Meßkondensators C_MESS bildende Werkstückkante 16 ist geerdet. Der den Impedanzwandler 20 und das Phasenglied 22 enthaltende Leitungszweig 24 kann als Rückkopplungszweig bezeichnet werden. This circuit also has the measuring capacitor C _MESS , which, as already mentioned above, is formed by the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 . The measuring voltage U _MESS (t) drops across the measuring capacitor C _MESS (corresponds to the voltage U _C (t) in FIG. 3). The measuring capacitor C _MESS is connected via the inner conductor 14 to a connection of a reference resistor R _ref and also to a positive input of an impedance converter 20 . The other connection of the reference resistor R _ref is connected to the output of an adder 21 , which receives an AC supply voltage U _T (t) = U.sin (ωt) at its first input a. The other input b of the adder 21 is connected to the output of a phase element 23 , the input of which is connected on the one hand to the output of the impedance converter 20 and on the other hand to an output terminal 23 of the distance measuring circuit. The output of the impedance converter 20 is also fed back to its negative input. The workpiece edge 16 forming the second capacitor plate of the measuring capacitor C _MESS is grounded. The line branch 24 containing the impedance converter 20 and the phase element 22 can be referred to as a feedback branch.

Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise der in Fig. 4 gezeigten Schaltung näher erläutert. The mode of operation of the circuit shown in FIG. 4 is explained in more detail below.

Wie zu erkennen ist, fällt zwischen den Punkten I und V die Meßspannung U_MESS(t) ab. Da der Impedanzwandler 22 die Verstärkung V = 1 aufweist und nur der Spannungsentkopplung dient, erscheint auch am Ausgang des Impedanzwandlers 22 die Spannung U_MESS(t) und somit auch zwischen den Punkten III und V. Die Meßspannung U_MESS(t) liegt ferner am zweiten Eingang b des Addierers 21 an, also am Punkt II. Am Ausgang des Addierers 21 steht somit die Summe der beiden Eingangsspannungen U_MESS(t) und U_T(t), die am Punkt IV anliegt. As can be seen, falls between the points I and V from the measuring voltage U _MEAS (t). Since the impedance of transducers 22 has the amplification V = 1 and serves only the voltage decoupling, also the impedance converter appears at the output 22 the voltage U _MEAS (t), and thus also between the points III and V. The measuring voltage U _MEAS (t) is a further at second input b of adder 21 , ie at point II. The sum of the two input voltages U _MEAS (t) and U _T (t), which is present at point IV, is thus at the output of adder 21 .

Da am Punkt IV U_T(t) + U_MESS(t) und am Punkt I U_MESS(t) anliegen, muß am Widerstand R_ref die Spannung U_T(t) abfallen, und zwar unabhängig von der Höhe der Meßspannung U_MESS(t). Somit ist der Strom durch den Widerstand R_ref nur von der Spannung U_T(t) abhängig. Since at the point IV U _T (t) + U _MESS (t) and at the point IU _MESS (t), the voltage U _T (t) must drop across the resistor R _ref , regardless of the level of the measuring voltage U _MESS ( t). The current through the resistor R _ref is therefore only dependent on the voltage U _T (t).

Da am Addiereingang a des Addierers 21 die konstante Wechselspannung U_T(t) = U.sin(ωt) anliegt, erhält man einen ausgangsseitigen Wechselstrom von

i_ref(t) = U.sin(ωt) (4)

mit I = U/R_ref. Der Eingangsstrom i des Impedanzwandlers 3 ist viel kleiner als i_ref(t), so daß die Beziehung gilt:

i_ref(t) = i_MESS(t) (5).
Since the constant alternating voltage U _T (t) = U.sin (ωt) is present at the adder input a of the adder 21 , an alternating current of on the output side is obtained

i _ref (t) = U.sin (ωt) (4)

with I = U / R _ref . The input current i of the impedance converter 3 is much smaller than i _ref (t), so that the relationship applies:

i _ref (t) = i _MEAS (t) (5).

Durch den Meßkondensator C_MESS fließt ein Wechselstrom i_MESS(t) mit konstanter Amplitude. Die am Meßkondensator C_MESS abfallende Spannung U_MESS(t) ist somit linear proportional zum Meßabstand d. Der Meßabstand d ist der Abstand zwischen den Kondensatorplatten 13 und 16 des Meßkondensators C_MESS. Through the measuring capacitor C _MESS an alternating current i _MEAS (t) flows with a constant amplitude. The voltage U _MESS (t) dropping across the measuring capacitor C _MESS is thus linearly proportional to the measuring distance d. The measuring distance d is the distance between the capacitor plates 13 and 16 of the measuring capacitor C _MESS .

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung ist eine Regelschaltung, deren Aufgabe es ist, die Spannung über dem Referenzwiderstand R_ref und damit den Strom i_ref konstantzuhalten, der durch den Referenzwiderstand R_ref hindurchfließt. Der Strom i_ref ist also ein Wechselstrom mit konstanter Amplitude. The circuit shown in FIG. 4 is a control circuit, the task of which is to keep the voltage across the reference resistor R _ref and thus the current i _ref constant, which flows through the reference resistor R _ref . The current i _ref is therefore an alternating current with a constant amplitude.

Wie in jedem dynamischen Regelkreis spielt die Phase der rückgekoppelten Größe eine entscheidende Rolle. Ist die Phasenbedingung nicht erfüllt, wird die Gegenkopplung zur Mitkopplung, so daß die Regelung nicht mehr funktioniert. Dies muß bei der Dimensionierung der Schaltung beachtet werden, da im Falle des Referenzwiderstands R_ref der Meßkondensator C_MESS mit dem Referenzwiderstand R_ref ein zusätzliches R-C-Glied bildet, dessen Phase sich mit dem Abstand des Sensors ändert. Eine zu große Phasenänderung läßt sich mit Hilfe des Phaseneinstellglieds 22 durch geeignete Einstellung kompensieren, so daß bei allen Meßabständen eine stabile Regelung erhalten wird. As in any dynamic control loop, the phase of the feedback quantity plays a crucial role. If the phase condition is not fulfilled, the negative feedback becomes positive feedback, so that the control no longer works. This must be taken into account when dimensioning the circuit, since in the case of the reference resistor R _ref, the measuring capacitor C _MESS forms an additional RC element with the reference resistor R _ref , the phase of which changes with the distance of the sensor. A phase change that is too great can be compensated for with the aid of the phase setting element 22 by means of a suitable setting, so that stable control is obtained at all measuring distances.

Die wichtigste Aufgabe des Phaseneinstellglieds 22 liegt jedoch in der zusätzlichen Linearisierbarkeit der Abstandskennlinie, also der Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Wechsel-Meßgröße (Meßspannung U_MESS(t)) und dem Abstand d darstellt. However, the most important task of Phaseneinstellglieds 22 lies in the additional linearizability the distance characteristic curve, that is the characteristic curve representing the relationship between the change variable (measuring voltage U _MEAS (t)) and the distance d.

Die eingangs verwendete Formel C = ε.A/d gilt nur für den idealen Plattenkondensator, also für zwei planparallele, gegenüberliegende und gleich große Flächen, deren Abmessungen viel größer als der gegenseitige Abstand sind. Die Feldlinien zwischen den Flächen verlaufen parallel, wobei kein Streufeld vorhanden ist. The formula C = ε.A / d used at the beginning only applies to the ideal one Plate capacitor, i.e. for two plane-parallel, opposite and the same size Areas whose dimensions are much larger than the mutual distance. The field lines between the surfaces run parallel, with no stray field is available.

Für die meisten Sensoren ist diese Bedingung nicht erfüllt. Die zuletzt erwähnte Formel gilt daher nur näherungsweise. Deswegen ist die Ausgangsspannung U_MESS(t) der Meßschaltung an der Klemme 23 nicht so linear zum Abstand d, wie nach der Gleichung (3) zu erwarten ist. This condition is not met for most sensors. The last-mentioned formula is therefore only approximate. For this reason, the output voltage U _MEAS (t) of the measuring circuit at terminal 23 is not as linear to the distance d as can be expected from equation (3).

Diese Nichtlinearität kann durch das Phaseneinstellglied 22 behoben werden. Durch Einstellung der Phasenverschiebung zwischen der Spannung U_T(t) und der Meßspannung U_MESS(t) kann eine zusätzliche Verzerrung der Kennlinie erhalten werden, um der Nichtlinearität entgegenzuwirken. Versuche haben gezeigt, daß man auf diesem Wege zu guten Linearisierungsergebnissen kommt, ohne die Stabilität der Regelschaltung zu gefährden. This non-linearity can be eliminated by the phase setting element 22 . By adjusting the phase shift between the voltage U _T (t) and the measuring voltage U _MESS (t), an additional distortion of the characteristic curve can be obtained in order to counteract the non-linearity. Tests have shown that good linearization results can be achieved in this way without endangering the stability of the control circuit.

Dazu wird nach Wahl einer bestimmten Kondensatorelektrode die Kennlinie zwischen der Meßspannung U_MESS(t) und dem Abstand d aufgenommen, wobei dieser Vorgang unter Verstellung der Phasenverschiebung zwischen der Speisespannung U_T(t) und der Meßspannung U_MESS(t) so lange wiederholt wird, bis die genannte Kennlinie linear ist. Sie wird dann gespeichert und zur Abstandsregelung mit Hilfe des Sensorsystems verwendet. For this, the characteristic between the measuring voltage U _MEAS, after selection of a particular capacitor electrode (t) and added to the distance d which operation under adjustment of the phase shift between the supply voltage U _T (t) and the measuring voltage U _MEAS (t) as long repeated until the characteristic curve is linear. It is then saved and used for distance control using the sensor system.

Das Phaseneinstellglied 22 kann beispielsweise ein Allpaß-Filter sein, das allgemein bekannt ist. Allpaß-Filter erster und zweiter Ordnung sind beispielsweise in U. Tietze, Ch. Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag (1985), 7. Aufl., Seiten 431 bis 433 beschrieben. The phase adjuster 22 can be an all-pass filter, for example, which is generally known. All-pass filters of the first and second order are described, for example, in U. Tietze, Ch. Schenk, "Semiconductor Circuit Technology", Springer-Verlag (1985), 7th edition, pages 431 to 433.

Das Phaseneinstellglied 21 kann auch als Tiefpaßfilter, Hochpaßfilter oder Bandpaßfilter ausgebildet sein, so daß zusätzlich Signalstörungen herausgefiltert werden können. The phase setting element 21 can also be designed as a low-pass filter, high-pass filter or band-pass filter, so that additional signal interference can be filtered out.

Eine weitere Möglichkeit zur Messung des seitlichen Abstandes d zwischen dem Arbeitskopf 1 und einer Werkstückkante 16 wird nachfolgend anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert. Hier kann bei der Abstandsmessung berücksichtigt werden, ob aus dem Austrittskanal hindurchgeleitetes Material bereits zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 zu liegen kommt und dadurch das Meßergebnis verfälschen würde. Another possibility for measuring the lateral distance d between the working head 1 and a workpiece edge 16 is explained in more detail below with reference to FIGS. 5 and 6. When measuring the distance, it can be taken into account whether material passed through the outlet channel already lies between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 and would thereby falsify the measurement result.

Bei diesem Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen der Kondensatorelektrode 13 und der Werkstückkante 16, bei dem die Kondensatorelektrode 13 mit der Werkstückkante 16 einen Meßkondensator bildet, durch den ein Wechselstrom fließt, wird eine an der Kondensatorelektrode 13 anliegende Wechselspannung als Meßspannung abgegriffen. Aus dieser Meßspannung wird deren Realteil und Imaginärteil ermittelt, um daraus den zu messenden Abstand zu bestimmen. Das Meßprinzip an sich ist bereits aus der DE 199 06 442 A1 bekannt. In this method for measuring the distance between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16, in which the capacitor electrode 13 forms a sensing capacitor with the workpiece edge 16, flows through an alternating current, a voltage applied to the capacitor electrode 13 AC voltage is tapped off as a sense voltage. The real part and the imaginary part are determined from this measuring voltage in order to determine the distance to be measured. The measuring principle itself is already known from DE 199 06 442 A1.

Hier läßt sich die vom Abstand zwischen Werkstückkante 16 und Kondensatorelektrode 13 abhängige Kapazität bzw. der Blindwiderstand des Meßkondensators und damit der Abstand selbst unabhängig vom Widerstand des dazwischen liegenden Materials auch bei sich änderndem Meßstrom berechnen. Here, the 13-dependent capacitance of the distance between the workpiece edge 16 and capacitor electrode and the reactance of the measuring capacitor and thus the distance itself can be independent of the resistance of the intermediate material also calculate on changes in measured current.

Da die Eigenschaften des Materials zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 von den aktuellen Parametern der jeweiligen Bearbeitung abhängen, ist es ferner vorgesehen, daß aus Real- und Imaginärteil der Meßspannung ein den elektrischen Eigenschaften, insbesondere dem Widerstand des Materials zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 entsprechendes Signal ermittelt wird. Dieses Signal kann dann für die Überwachung und Steuerung des jeweiligen Bearbeitungsvorgangs und damit zur Qualitätssicherung genutzt werden. Since the properties of the material between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 depend upon the actual parameters of the respective processing, it is further contemplated that of real and imaginary parts of the measurement voltage, a the electrical properties, in particular the resistance corresponding to the material between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 Signal is determined. This signal can then be used for monitoring and controlling the respective machining process and thus for quality assurance.

Dabei kann die Meßspannung zur Ermittlung ihres Realteils und Imaginärteils mit einer ersten und einer zweiten Wechselspannung kombiniert werden, die um eine viertel Periode gegeneinander phasenverschoben sind. The measuring voltage can be used to determine its real part and Imaginary part combined with a first and a second AC voltage that are out of phase with each other by a quarter period.

Ferner ist es möglich, daß die Meßspannung zur Ermittlung ihres Real- und Imaginärteils mit einer ersten und einer dazu um eine viertel Periode phasenverschobenen zweiten Wechselspannung, vorzugsweise mit einer kosinus- bzw. sinusförmigen Wechselspannung, multipliziert wird. It is also possible that the measurement voltage to determine its real and Imaginary part with a first and a quarter period phase-shifted second AC voltage, preferably with a cosine or sinusoidal AC voltage is multiplied.

Eine andere, vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Meßspannung zur Ermittlung ihres Real- und Imaginärteils einer ersten bzw. einer zweiten Synchrongleichrichtung zu unterziehen. Another advantageous possibility is to use the measuring voltage Determination of their real and imaginary part of a first or a second Undergo synchronous rectification.

Besonders einfach ist es, wenn zur ersten Synchrongleichrichtung dieselbe Wechselspannung verwendet wird, die auch zur Erzeugung der Meßspannung dient, während zur zweiten Synchrongleichrichtung die gleiche dazu um eine viertel Periode phasenverschobene Wechselspannung benutzt wird. It is particularly easy if the same is done for the first synchronous rectification AC voltage is used, which is also used to generate the measuring voltage serves, while for the second synchronous rectification the same one quarter period, phase-shifted AC voltage is used.

Für die weiteren Berechnungen werden dann zweckmäßigerweise die durch Multiplikation oder Synchrongleichrichtung erhaltenen Anteile der Meßspannung durch Tiefpaßfilterung von Wechselspannungsanteilen befreit, um dem Real- bzw. Imaginärteil der Meßspannung entsprechende Spannungssignale zu erhalten. For the further calculations, the through are then expediently Multiplication or synchronous rectification obtained portions of the Measuring voltage freed from low-voltage filtering of AC components in order to Real or imaginary part of the measuring voltage corresponding voltage signals to obtain.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn aus den den Real- und Imaginärteil darstellenden Spannungssignalen unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur Erzeugung der Meßspannung eingesetzten Wechselspannung die Meßkapazität oder der Blindwiderstand des Meßkondensators durch Berechnung eines von Referenzwiderstand und Meßkondensator gebildeten Spannungsteilers ermittelt wird. It is particularly useful if the real and imaginary parts representing voltage signals using real and imaginary parts the AC voltage used to generate the measuring voltage Measuring capacitance or the reactance of the measuring capacitor Calculation of a reference resistor and measuring capacitor Voltage divider is determined.

Das Verfahren hat nicht nur den Vorteil, daß eine seitliche Abstandsmessung bei der Steuerung des Arbeitskopfes einer Bearbeitungsmaschine selbst bei auftretender Materialbildung zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 mit hoher Genauigkeit fortgeführt werden kann, sondern ermöglicht es darüber hinaus auch, den Bearbeitungsvorgang zu überwachen, wenn aus den den Real- und Imaginärteil darstellenden Spannungssignalen unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur Erzeugung der Meßspannung eingesetzten Wechselspannung der Widerstand des im Meßkondensator vorhandenen Materials durch Berechnung des von Referenzwiderstand und Meßkondensator gebildeten Spannungsteilers ermittelt wird. Hierdurch läßt sich einerseits die Existenz oder Nichtexistenz eines Materials sowie die Menge des zwischen Kondensatorelektrode und Werkstückkante 16 befindlichen Materials erfassen und für die Überwachung des Bearbeitungsvorgangs nutzen. The method not only has the advantage that a lateral distance measurement in the control of the working head of a processing machine can be continued with high accuracy even when material formation occurs between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 , but also makes it possible to monitor the machining process when off the voltage signals representing the real and imaginary parts using the real and imaginary parts of the alternating voltage used to generate the measuring voltage, the resistance of the material present in the measuring capacitor is determined by calculating the voltage divider formed by the reference resistor and measuring capacitor. In this way, on the one hand, the existence or nonexistence of a material and the amount of material located between the capacitor electrode and workpiece edge 16 can be recorded and used for monitoring the machining process.

Die Kondensatorelektrode 13 bildet zusammen mit der gegenüberliegenden Werkstückkante 16 einen Meßkondensator, dessen Meßkapazität C_m vom Abstand d zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 abhängt. Parallel zur Meßkapazität C_m ist ein Widerstand R dargestellt, der den Ohm'schen Widerstand des zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 befindlichen Materials beschreibt. The capacitor electrode 13 forms, together with the opposite workpiece edge 16, a measuring capacitor whose measuring capacitance C _m depends on the distance d between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 . A resistor R is shown parallel to the measuring capacitance C _m , which describes the ohmic resistance of the material located between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 .

Wie Fig. 5 zeigt, ist die Sensorelektrode 13 über eine abgeschirmte Leitung 15 und einen Widerstand R_ref mit einem ersten Ausgang sin eines Wechselspannungsgenerators 25 verbunden. Ein Verbindungspunkt 26 zwischen Referenzwiderstand R_ref und abgeschirmter Leitung 15 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang eines als Impedanzwandler dienenden Operationsverstärkers 27 verbunden, dessen Ausgang sowohl an seinen invertierenden Eingang als auch an die Abschirmung 15' der abgeschirmten Leitung 15 angelegt ist. As Fig. 5 shows, the sensor electrode 13 via a shielded cable 15 and a resistor R _ref to a first output of a sin AC generator 25 is connected. A connection point 26 between reference resistor R _ref and shielded line 15 is connected to the non-inverting input of an operational amplifier 27 serving as an impedance converter, the output of which is applied both to its inverting input and to the shield 15 'of the shielded line 15 .

Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers 27 mit ersten Eingängen von Schaltungsgliedern M1, M2 verbunden, die vorzugsweise als Synchrongleichrichter arbeiten, wie noch beschrieben wird. Die Ausgänge dieser Schaltungsglieder M1 bzw. M2 sind jeweils über einen Tiefpaß 28 bzw. 29 mit einem Rechenwerk 30 verbunden. Furthermore, the output of the operational amplifier 27 is connected to first inputs of circuit elements M1, M2, which preferably operate as a synchronous rectifier, as will be described. The outputs of these circuit elements M1 and M2 are each connected to an arithmetic unit 30 via a low-pass filter 28 or 29 .

Ein zweiter Ausgang cos des Wechselspannungsgenerators 25 liefert eine kosinusförmige Wechselspannung U_c(t) an einen zweiten Eingang des Schaltungsgliedes M1, während der erste Ausgang sin des Wechselspannungsgenerators 25' eine sinusförmige Wechselspannung U_s(t) an einen zweiten Eingang des zweiten Schaltungsgliedes M2 liefert. An die zweiten Eingänge der Schaltungsglieder können auch andere, gegeneinander um 90° phasenverschobene Wechselspannungen mit gleicher Frequenz, z. B. Rechteckspannungen, angelegt werden. A second output cos of the AC voltage generator 25 supplies a cosine AC voltage U _c (t) to a second input of the circuit element M1, while the first output sin of the AC voltage generator 25 'supplies a sinusoidal AC voltage U _s (t) to a second input of the second circuit element M2 , At the second inputs of the circuit elements, other AC voltages with the same frequency, e.g. B. square wave voltages.

Die sinusförmige Wechselspannung U_s(t) am ersten Ausgang sin des Wechselspannungsgenerators 25, die am Referenzwiderstand R_ref anliegt, bewirkt einen Strom, der als Meßstrom i_m(t) über die abgeschirmte Leitung 15 und weiter über den Meßkondensator fließt. Der Strom vom Verbindungspunkt 26 in den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 27 ist hierbei praktisch Null, da der Operationsverstärker 27 als Impedanzwandler geschaltet ist. Der Meßstrom i_m(t) bewirkt somit am Verbindungspunkt 26 eine Meßspannung U_m(t), die auch am Ausgang des Operationsverstärkers 27 anliegt. The sinusoidal alternating voltage U _s (t) at the first output sin of the alternating voltage generator 25 , which is present at the reference resistor R _ref , causes a current which flows as a measuring current i _m (t) via the shielded line 15 and further through the measuring capacitor. The current from the connection point 26 into the non-inverting input of the operational amplifier 27 is practically zero, since the operational amplifier 27 is connected as an impedance converter. The measuring current i _m (t) thus causes a measuring voltage U _m (t) at the connection point 26 which is also present at the output of the operational amplifier 27 .

Da durch die Verbindung des Ausgangs des Operationsverstärkers 27 mit der Abschirmung 15' der abgeschirmten Leitung 15 sowohl die Leitung 15 selbst als auch ihre Abschirmung 15' auf dem gleichen Potential U_m(t) liegen und da die Abschirmung 15' in nicht näher dargestellter Weise mit einem Schirmkörper 18 des Arbeitskopfes 1 verbunden ist, wird die Wirkung der Kapazitäten zwischen Leitung 15 und Abschirmung 15' sowie zwischen Kondensatorelektrode 13 und Schirmkörper 18 beseitigt. Aufgrund dieser aktiven Abschirmung der Meßleitung kann somit die Kapazität zwischen Kondensatorelektrode 13 und Leitung 15 einerseits sowie Schirmkörper 18 und Abschirmung 15' andererseits ein mehrfaches der Meßkapazität C_m zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 betragen, ohne daß die genaue Erfassung der Meßkapazität C_m dadurch beeinträchtigt wird. Infolgedessen kann auch ein Isolator zwischen Kondensatorelektrode 13 und Schirmkörper 18 ohne Rücksicht auf eine kapazitive Abschirmung sehr dünn ausgeführt werden. Since, by connecting the output of the operational amplifier 27 to the shield 15 'of the shielded line 15, both the line 15 itself and its shield 15 ' are at the same potential U _m (t) and since the shield 15 'is not shown in any more detail is connected to a shield body 18 of the working head 1 , the effect of the capacitances between line 15 and shield 15 'and between capacitor electrode 13 and shield body 18 is eliminated. Due to this active shielding of the measuring line, the capacitance between capacitor electrode 13 and line 15, on the one hand, and shield body 18 and shield 15 ', on the other hand, can be a multiple of the measuring capacitance C _m between capacitor electrode 13 and workpiece edge 16 without the precise detection of the measuring capacitance C _m thereby being impaired becomes. As a result, an insulator between the capacitor electrode 13 and the shield body 18 can also be made very thin without regard to capacitive shielding.

Liegt kein Material zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 vor, so wird die Meßspannung U_m(t) ausschließlich von der Meßkapazität C_m des Meßkondensators bestimmt. If there is no material between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 , the measuring voltage U _m (t) is determined exclusively by the measuring capacitance C _{m of} the measuring capacitor.

Liegt jedoch ein Material vor, so beeinflußt die Impedanz des Materials ebenfalls die Meßspannung U_m(t). However, if a material is present, the impedance of the material also influences the measuring voltage U _m (t).

Unter der Voraussetzung, daß vom Verbindungspunkt 26 zwischen Referenzwiderstand R_ref und Meßkondensator kein Strom in den als Impedanzwandler geschalteten Operationsverstärker 27 fließt, läßt sich der Spannungsteiler aus Referenzwiderstand R_ref und Meßkondensator in üblicher Weise nach der Formel:

U_s/(R_ref + R_x) = U_m/R_x

beschreiben (wobei R_x = R - 1/jω C_m; mit j als imaginärer Einheit und ω = 2πf (f = Generatorfrequenz)). Provided that no current flows from connection point 26 between reference resistor R _ref and measuring capacitor into operational amplifier 27 connected as an impedance converter, the voltage divider consisting of reference resistor R _ref and measuring capacitor can be used in the usual way according to the formula:

U _s / (R _ref + R _x ) = U _m / R _x

describe (where R _x = R - 1 / jω C _m ; with j as an imaginary unit and ω = 2πf (f = generator frequency)).

Durch rechnerische Umformung ergibt sich hieraus für die Impedanz R_x des Meßkondensators die folgende Beziehung:

R_x = R_ref/(U_s/U_m - 1).

Durch Real- und Imaginärteilbildung erhält man aus dieser Gleichung die folgenden Beziehungen für den kapazitiven Blindwiderstand X_Cm = 1/jωC_m und für den Materialwiderstand R:

The following relationship results for the impedance R _{x of} the measuring capacitor by arithmetic transformation:

R _x = R _ref / (U _s / U _m - 1).

By forming real and imaginary parts, the following relationships for the capacitive reactance X _Cm = 1 / jωC _m and for the material resistance R are obtained from this equation:

Um entsprechend diesen Beziehungen in jedem Fall aus der Meßspannung U_m(t) die Größe der Meßkapazität C_m sowie die Größe des Materialwiderstands R oder zumindest diesen Größen proportionale Meßsignale ableiten zu können, wird die Meßspannung U_m(t) im ersten Schaltungsglied M1 der Auswerteschaltung mit einer kosinusförmigen Wechselspannung U_c(t) sowie im zweiten Schaltungsglied M2 mit einer sinusförmigen Wechselspannung U_s(t) gemischt oder verknüpft, z. B. durch Multiplikation oder entsprechend einer Synchrongleichrichtung. Die Ausgangssignale der Schaltungsglieder M1 und M2 werden dann jeweils in einem Tiefpaß 28 bzw. 29 von den Wechselspannungsanteilen befreit und stellen nunmehr den Real- und Imaginärteil der Meßspannung U_m(t) dar. Dabei ergibt die Multiplikation oder Synchrongleichrichtung der Meßspannung U_m(t) im ersten Schaltungsglied M1 unter Verwendung einer kosinusförmigen Wechselspannung U_c(t) ein Maß für den Realteil U_mR der Meßspannung U_m(t), während die Synchrongleichrichtung oder Multiplikation unter Verwendung der auch zur Erzeugung der Meßspannung U_m(t) benutzten, sinusförmigen Wechselspannung U_s(t) im zweiten Schaltungsglied M2 zum Imaginärteil U_mI der Meßspannung U_m(t) führt. The size of the measured capacitance C _m and the size of to derive material resistor R or at least these sizes proportional measuring signals corresponding to these relationships in any case from the measuring voltage U _m (t), the measuring voltage U _m (t) in the first circuit member M1, the Evaluation circuit with a cosine AC voltage U _c (t) and in the second circuit element M2 with a sinusoidal AC voltage U _s (t) mixed or linked, z. B. by multiplication or according to a synchronous rectification. The output signals of the circuit elements M1 and M2 are then freed from the AC voltage components in a low-pass filter 28 and 29, respectively, and now represent the real and imaginary parts of the measurement voltage U _m (t). The multiplication or synchronous rectification of the measurement voltage U _m (t ) in the first circuit element M1, using a cosine-shaped alternating voltage U _c (t), a measure for the real part U _{mR of} the measuring voltage U _m (t), while the synchronous rectification or multiplication using the also used to generate the measuring voltage U _m (t), sinusoidal AC voltage U _s (t) leads in the second circuit _element M2 to the imaginary part U _{mI of} the measuring voltage U _m (t).

Da die Amplitude und Phase der vom Wechselspannungsgenerator 25 erzeugten Wechselspannungen, insbesondere der sinusförmigen Wechselspannung U_s(t) bekannt sind, läßt sich der aus Referenzwiderstand R_ref und Meßkondensator gebildete Spannungsteiler nach den obigen Gleichungen berechnen und die zum Abstand zwischen Kondensatorelektrode und Werkstückkante 16 proportionale Kapazität C_m des Meßkondensators sowie, falls gewünscht, der Materialwiderstand R ermitteln. Auf diese Weise kann der Abstand d zwischen Kondensatorelektrode 13 und Werkstückkante 16 unabhängig von der Existenz eines dazwischenliegenden Materials über die Meßkapazität C_m erfaßt werden. Since the amplitude and phase of the alternating voltages generated by the alternating voltage generator 25 , in particular the sinusoidal alternating voltage U _s (t), are known, the voltage divider formed from the reference resistor R _ref and measuring capacitor can be calculated according to the above equations and the one proportional to the distance between the capacitor electrode and the workpiece edge 16 Determine the capacitance C _{m of} the measuring capacitor and, if desired, the material resistance R. In this way, the distance d between the capacitor electrode 13 and the workpiece edge 16 can be detected independently of the existence of an intermediate material via the measuring capacitance C _m .

Zur Bestimmung des Abstandes d zwischen Werkstückkante 16 und Kondensatorelektrode 13 bzw. der davon abhängigen Meßkapazität C_m des Meßkondensators oder zur Berechnung seines kapazitiven Blindwiderstands X_Cm kann das Rechenwerk 30 einen Mikroprozessor umfassen, dem die den Real- und Imaginärteil der Meßspannung U_m darstellenden Spannungssignale U_mR, U_mI über nicht dargestellte Analog-Digital-Wandler in digitaler Form zugeführt werden. Der Mikroprozessor liefert dann je nach den Anforderungen der nachfolgenden Steuervorrichtung entweder direkt den Abstand oder die Kapazität bzw. den Blindwiderstand des Meßkondensators, wobei aus den letzteren Werten der Abstand dann über eine entsprechende Kalibrierungskurve oder -tabelle erhalten werden kann. To determine the distance d between the workpiece edge 16 and the capacitor electrode 13 or the measuring capacitance C _{m of} the measuring capacitor dependent thereon or to calculate its capacitive reactance X _Cm , the arithmetic unit 30 can comprise a microprocessor to which the voltage signals representing the real and imaginary part of the measuring voltage U _m U _mR , U _mI are supplied in digital form via analog-digital converters, not shown. Depending on the requirements of the subsequent control device, the microprocessor then supplies either directly the distance or the capacitance or the reactance of the measuring capacitor, the distance then being able to be obtained from the latter values via a corresponding calibration curve or table.

Es ist aber beispielsweise auch möglich, auf analogem Wege aus den Real- und Imaginärteil der Meßspannung U_m darstellenden Spannungssignalen U_mR, U_mI eine Ausgangsspannung U_A zu bilden, die eine Funktion des Blindwiderstands X_Cm des Meßkondensators und damit eine Funktion des Abstands d zwischen Werkstückkante 16 und Kondensatorelektrode 13 darstellt. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, umfaßt hierzu das Rechenwerk 30 zwei Multiplizierschaltungen 31, 32, in denen die Spannungssignale U_mR, U_mI jeweils mit sich selbst multipliziert werden, so daß die Ausgangssignale der Multiplizierschaltungen 31, 32, die Quadrate der Eingangsspannungen darstellen. Die Ausgangssignale der Multiplizierschaltungen 31, 32 werden dann in einem Addierer 33 miteinander addiert, um auf diese Weise den Zähler des in der Gleichung für den Blindwiderstand X_Cm angegebenen Bruchs zu ermitteln. However, it is also possible, for example, to form an output voltage U _A in an analog way from the real and imaginary part of the measured voltage U _m representing voltage signals U _mR , U _mI , which function is a function of the reactance X _{Cm of} the measuring capacitor and thus a function of the distance d represents between workpiece edge 16 and capacitor electrode 13 . For this purpose, as shown in FIG. 6, the arithmetic unit 30 comprises two multiplier _circuits 31 , 32 , in which the voltage _signals U _mR , U _{mI are} each multiplied by themselves, so that the output signals of the multiplier _circuits 31 , 32 represent the squares of the input voltages , The output signals of the multiplier circuits 31 , 32 are then added together in an adder 33 , in order in this way to determine the numerator of the fraction specified in the equation for the reactance X _Cm .

Außerdem werden die Spannungssignale U_mR und U_mI weiteren Multiplizierschaltungen 34, 35 zugeführt, in denen die Spannungssignale mit Koeffizienten k₁ bzw. k₂ multipliziert werden, die dem Imaginärteil bzw. dem Realteil der vom Wechselspannungsgenerator 25 erzeugten, sinusförmigen Wechselspannung U_S entsprechen. Die Ausgangssignale dieser zweiten Multiplizierer 34, 35 werden in einem Subtrahierer 36 voneinander subtrahiert, um ein dem Nenner des in der Gleichung für Blindwiderstand angegebenen Bruchs entsprechendes Signal zu erhalten. Anschließend werden die Ausgangssignale von Addierer 33 und Subtrahierer 36 in einem Dividierer 37 miteinander verknüpft, um die vom Blindwiderstand des Meßkondensators bzw. von seiner Meßkapazität abhängige Ausgangsspannung U_A zu bilden. In addition, the voltage _signals U _mR and U _{mI are fed to} further multiplier _circuits 34 , 35 , in which the voltage _{signals are} multiplied by coefficients k ₁ and k ₂ , which correspond to the imaginary part and the real part of the sinusoidal alternating voltage U _S generated by the alternating voltage generator 25 . The output signals of these second multipliers 34 , 35 are subtracted from one another in a subtractor 36 in order to obtain a signal corresponding to the denominator of the fraction specified in the equation for reactance. The output signals from adder 33 and subtractor 36 are then combined with one another in a divider 37 in order to form the output voltage U _A which is dependent on the reactance of the measuring capacitor or its measuring capacitance.

Ein zum Materialwiderstand R proportionales Signal läßt sich in entsprechender Weise auf digitalem oder analogem Wege bilden, wenn eine Überwachung des Materialwiderstandes zur Kontrolle der Verschmutzung der Meßelektrode mit dem Auftragsmaterial gewünscht wird. A signal proportional to the material resistance R can be found in Form accordingly in a digital or analog way when monitoring the material resistance to check the contamination of the measuring electrode with the order material is desired.

Claims

1. Working head ( 1 ) for processing a workpiece ( 3 ), which has a workpiece ( 3 ) facing outlet channel ( 6 ) for passing a material with a dielectric constant ε> 1, which surrounds an induction coil ( 8 ), characterized in that he also carries a capacitor electrode ( 13 ) for the capacitive measurement of a distance between it and the workpiece ( 16 ) in a direction transverse to the longitudinal direction of the outlet channel ( 6 ).

2. Working head according to claim 1, characterized in that the capacitor electrode ( 13 ) is arranged in the vicinity of the induction coil ( 8 ).

3. Working head according to claim 2, characterized in that a coil package ( 9 ) formed by the induction coil ( 8 ) carries the capacitor electrode ( 13 ).

4. Working head according to one of claims 1 to 3, characterized in that the capacitor electrode ( 13 ) is plate-shaped.

5. Working head according to one of claims 1 to 4, characterized in that the capacitor electrode ( 13 ) is located on a peripheral portion of the induction coil ( 8 ).

6. Working head according to one of claims 1 to 5, characterized by an at least between the capacitor electrode ( 13 ) and the induction coil ( 8 ) lying shield electrode ( 18 ).

7. Working head according to claim 6, characterized in that an active shielding potential can be applied to the shielding electrode ( 18 ), which is obtained from an alternating measuring voltage applied to the capacitor electrode ( 13 ).