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Vorrichtung zum Messen von Längen Die Erfindung bezieht sich auf die
Messung von Längen oder den gegenseitigen Abständen von Gegenständen.
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Bei mehreren bekannten Vorrichtungen dieser Art findet ein Maßstab
Verwendung, der mit einer Anzahl regelmäßig verteilter elektrischer oder magnetischer
Diskontinuitäten in gleichen Abständen voneinander versehen ist, die eine Hauptskalenteilung
bilden, wobei nicht mit diesem Maßstab in Berührung stehende Glieder vorhanden sind,
um die Stelle der Di skontinuitäten zu bestimmen, und weiter ein System zum Messen
von Abständen, die kleiner als der Abstand der Diskontinuitäten voneinander sind,
vorgesehen ist. Üblicherweise liefert ein einziger hierzu bestimmter Detektor bei
einer Diskontinuität nicht eine so scharfe Anzeige, wie zur genauen Bestimmung der
Stelle der Diskontinuitäten erforderlich ist. Außerdem ergibt sich üblicherweise
keine Änderung im Vorzeichen der Ausgangsspannung, derart, daß sich ein Punkt mit
einem Signal Null zusammen mit einer Richtungsanzeige zum Suchen eines solchen Nullpunktes
ergeben könnte. tfblicherweise ändert sich die Ausgangsspannung gleichmäßig entsprechend
der Verteilung der Diskontinuitäten zwischen einem Höchstwert und einem Mindestwert.
Deshalb ist es üblich, zwei in einem bestimmten Abstand voneinander am Stab entlang
angeordnete Detektoren zu verwenden, derart, daß die Ausgangsspannung des einen
einen Höchstwert hat, wenn die des anderen minimal ist. Sie können in einer Brückenschaltung
liegen, deren Ausgangsspannung Null ist, wenn die zwei Ausgangsspannungen untereinander
gleich sind. Zwei solche Nullpunkte ergeben sich in Abständen gleich einer Skalenteilung.
Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nuilpunkten hängt vom Abstand der
zwei Detektoren voneinander ab. Wenn eine hohe Genauigkeit erfordert wird, ist es
schwer, diesen letzteren Abstand so einzustellen, daß aufeinanderfolgende Abstände
zwischen Nullpunkten untereinander gleich sind. Wenn außerdem das System mittels
eines Nullanzeigers von Hand so bedient wird, daß je nach dem Vorzeichen des angezeigten
Fehlers in der einen oder in der anderen Richtung gesteuert wird, bis das Gleichgewicht
sich wieder hergestellt hat, ist eine Doppeldeutigkeit möglich, weil aufeinanderfolgen
de Nullpunkte Fehleranzeigen abwechselnden Sinnes geben. Diese Anzeige ist für die
Bei nungsperson irreführend.
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Eine Vorrichtung zum Messen von Längen oder gegenseitigen Abständen
zwischen Gegenständen mit Hilfe eines Maßstabes, der mit einer Anzahl gleich weit
voneinander entfernten Diskontinuitäten versehen ist, die eine Hauptskalenteilung
bilden, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein erster De-
tektor,
der beim Vorhandensein einer Diskontinuität eine Ausgangsspannung liefert, und ein
im bestimmten Abstand vom ersten Detektor angeordneter zweiter Detektor vorgesehen
sind, wobei Mittel zum Beweg gen der Detektoren in bezug auf den Stab und eine Brückenschaltung
zum Vergleichen der Ausgangsspannungen der Detektoren vorhanden sind, welche Brücke
beim Auftreten einer vorbestimmten Gleichgewichtsbeziehung zwischen den Ausgangsspannungen
eine Nullspannung, jedoch, wenn die Lage des Stabes in bezug auf die Detektoren
von der dieser Nullspannung entsprechenden Lage abweicht, eine Fehlerspannung mit
einem bestimmten Vorzeichen liefert, und weiter Glieder zum Anzeigen der Nullspannung
und der Fehlerspannung der Brücke sowie zum Außerbetriebsetzen der Anzeigemittel
bei oder in der Nähe von in abwechselnder Richtung angesteuerten Nullagen vorhanden
sind.
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Bei solchen Vorrichtungen wird verhütet, daß abwechselnde Nullpunkte
an den Anzeigegliedern wirksam werden. Dies hat zwei Vorteile. Erstens ist eine
größere Genauigkeit erzielbar, weil die Maßgenauigkeit nicht länger vom Abstand
der Detektoren voneinander abhängt. Zweitens geben bei Bedienung von Hand alle tatsächlich
am Anzeiger erscheinenden Nullpunkte Fehleranzeigen im gleichen Sinne, d. h., sie
gehen allmählich von positiv nach negativ oder von rechts nach links durch einen
Nullpunkt hindurch, wenn der Maßstab und die Detektoren Verschiebungen
zueinander
in den gleichen Richtungen erfahren.
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Für die unerwünschten Nullpunkte werden die Anzeigemittel in dem Sinne
unwirksam gemacht, daß eine Fehleranzeige zu erhalten, die allmählich kleiner wird,
wenn der Stab und die Detektoren sich der Lage eines unerwünschten Nullpunktes nähert,
nicht mehr möglich ist.
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Die Diskontinuitäten können verschiedenartig sein.
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Sie können elektrischer Natur (z. B. Änderungen der Leitfähigkeit
des Stabes) oder magnetischer Natur (z. B. mehrere im Abstand voneinander angeordnete
Pole) sein; sie können auch optische Diskontinuitäten sein, z. B. Änderungen der
Durchlässigkeit oder des Reflexioiisverinögens.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen zwei Detektoren mit mehreren
längs eines Maßstabes verteilten Diskontinuitäten zusammenarbeiten. Bei einer bekannten
Vorrichtung sind die Diskontinuitäten die aufeinanderfolgenden Gänge einer leitenden
schraubenförmigen Oberfläche auf dem Stab, während die Detektoren aus kürzeren,
kapazitiv mit dieser Fläche gekoppelten Gewindeflächen bestehen. Nachstehend wird
die Erfindung bei einer solchen Vorrichtung angewandt beschrieben.
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Bei einigen bekannten Systemen findet ein Maßstab mit einer verhältnismäßig
langen schraubenförmigen Elektrode Verwendung, die kapazitiv mit zwei bewegbaren
zur Elektrode gleichachsigen kürzeren schraubenförmigen Detektoren (nachstehend
als Muttern bezeichnet) gekoppelt ist, die eine gleiche Steigung und einen gleichen
Drehsinn haben. Die zwei zwischen den Muttern und der Hauptelektrode auftretenden
Kapazitäten sind in eine Brückenschaltung eingeschaltet, die mit LIitteln versehen
ist, durch die ein Nullpunkt bestimmt werden kann, wenn die zwei Kapazitäten zwischen
den Gewindeflächen sich in der Brücke ausgleichen, wobei der Abstand der Muttern
voneinander so gewählt ist, daß die eine Kapazität zunimmt, wenn die andere abnimmt.
Ein derartiges System findet Verwendung, um aufeinanderfolgende Nullpunkte nachzuweisen,
wenn den Muttern eine Längsl>ewegung an der Hauptschraube des Maßstabes entlang
erteilt wird, wobei der Abstand zwischen den Punkten gleich der Hälfte der Steigung
ist. Wenn der mittlere Abstand gleich einem ganzen Vielfachen der Steigungslänge
zuzüglich eines Teiles der Steigungslänge ist, läßt sich dieser Teil dadurch bestimmen,
daß die Muttern beide gedreht werden, bis sich ein Nullpunkt ergibt, wobei der Teilabstand
an einer den Muttern zugeordneten kreisförmigen Skala abgelesen wird. Dieses System
hat mehrere Vorteile, insbesondere daß zwischen den Gewindeflächen keine Berührung
besteht und somit keine Reibung oder Abnutzung. Ein weiterer Vorteil ist der, dafl,
weil die Muttern mehrere Gänge haben, Ungenauigkeiten in der Gestalt der Hauptschraube
und der Muttern weitgehend ausgeglichen werden.
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In diesem System werden beide bei einer Verschiebung um eine Steigungslänge
auftretenden Nullpunkte verwendet, d. h. der Nullpunkt, bei dem die Kapazität einer
bestimmten Mutter zunimmt, und der Nullpunkt, bei dem sie abnimmt.
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Gemäß weiterer Erfindung ist bei einer derartigen Vorrichtung ein
Träger vorhanden, an dem die Muttern in einem solchen Abstand voneinander befestigt
sind, daß jeder Punkt oder jeder Gang des Gewindes einer Mutter vom entsprechenden
Punkt des Gewindes der anderen Mutter um einen axialen Abstand entfernt ist, der
gleich oder etwa gleich einem ungeraden Vielfachen der halben Steigungslänge ist,
wobei
die Brücke, in der die Kapazitäten liegen, eine Ausgangsspannung gleich Null liefert,
wenn die Kapazitäten bestimmte Werte aufweisen, während eine Fehlerspannung, bestimmten
Vorzeichens auftritt. wenn die Lage des Stabes in bezug auf die Mutter von der Nullage
abweicht, und wobei die Ausgangsspannungen der Brücke angezeigt werden und ein Diskriminator
vorhanden ist, um die Anzeigeglieder in oder in der Nähe von den Nullagen unwirksam
zu machen.
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Hierbei wird vorzugsweise der Vorteil der bekannten Vorrichtung beibehalten,
daß bei einer gegenseitigen Drehung des Stabes und der Mutter um einen Winkel von
weniger als 3600 ein Abstand kleiner als die Steigungslänge nachgewiesen werden
kann. Der Diskriminator kann auch eine leitende Gewindefläche enthalten (Diskriminatormutter)
mit der gleichen Steigung und Drehrichtung wie die anderen Muttern, die kapazitiv
mit dem Stab gekoppelt und mit dem Träger in einer derartigen Lage in bezug auf
die anderen Muttern fest verbunden ist, daß jeder Punkt jedes Ganges der Gewindefläche
sich in einem Abstand vom entsprechenden Punkt eines Ganges einer der anderen Muttern
befindet, der gleich oder etwa gleich einem ungeraden Vielfachen der Viertelsteigungslängen
ist Hierbei läßt sich die Kapazität zwischen dieser Mutter und dem Maßstab bestimmen
und das Anzeigeglied unwirksam machen, wenn die Kapazität der Diskriminatormutter
ihrem Höchstwert oder ihrem Mindestwert nahezu gleich ist.
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Die leitenden Gewindeflächen können leitende Überzüge isolierender
zylindrischer Glieder sein. Vorzugsweise werden die Gewindeflächen aus massiven
Metallgliedern gebildet.
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Der Maßstab kann auch hohl sein, mit der Gewindefläche im Innern,
wobei die Muttern innerhalb des Stabes geführt werden. Vorzugsweise liegen die Muttern
und der Träger außerhalb des Stabes, weil die wirksamen Oberflächen der Muttern
kürzer als der Stab sind.
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Die Elemente des Meßgerätes werden verwendet, um die gegenseitige
Lage oder Verschiebung zweier Teile zu bestimmen; zu diesem Zweck kann entweder
der Stab oder der Träger bewegt werden, während das andere Element stillsteht.
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Es sind mehrere Brückenschaltungen möglich, um die Nullagen genau
zu bestimmen; mit Rücksicht auf die unvermeidliche Anwesenheit von Streukapazitäten
zwischen jedem der Elemente und Erde findet vorzugsweise eine Trausformatorbrücke
Verwendung, wobei diese Kapazitäten berücksichtigt werden. Eine derartige Vorrichtung
wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben.
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Die von der Diskriminatormutter erhaltene Information läßt sich auf
verschiedene Weisen zum Bestimmen abwechselnder Nullagen verwenden. Bei einem bestimmten
Verfahren findet eine weitere Transformatorbrücke mit konstanter Kapazität Verwendung;
diese ist in den Zweig der Brücke gegenüber der Kapazität der dritten Mutter aufgenommen
(siehe die Zeichnung).
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Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann zum Einstellen eines verschiebbaren
Gliedes, z. B. in einer Bohrmaschine für genaue Bearbeitungen, Verwendung finden.
Hierbei müssen mit hoher Genauigkeit geradlinige Bewegungen in zwei zueinander senkrechten
Richtungen ausgeführt werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist hierbei mit
dem Tisch kombiniert. um eine Messung derartiger Bewegungen zu ermöglichen.
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Fig. 1 zeigt einen Teil des Maßstabes mit einem Schnitt durch die
Muttern und den Träger; Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Detektors und der Anzeigevorrichtung
mit einem Schnitt durch einen Teil der Muttern und des Trägers; Fig. 3 zeigt eine
Anzahl graphischer Darstellungen mit der Verschiebung als unabhänglichen Veränderlichen,
während Fig. 4 eine Brückenschaltung mit den Streukapazitäten darstellt.
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Die Gewinde haben ein rechteckiges Profil, wobei die Dicke parallel
zur Achse gleich dem Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Gewindegängen in der
gleichen Richtung ist. Dies ist vorteilhaft, weil bei Abweichungen von dieser Symmetrie
Ungenauigkeit der Nullage auftreten würde.
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Die wirksamen Flächen 1 des Maßstabes 2 sind kapazitiv mit zwei Meßmuttem
3, 4 mit wirksamen Flächen 5 6 gekuppelt. Diese Muttern sind in einem Träger 7 befestigt
und gegeneinander und gegen die Schraube isoliert. Die drei Elemente sind sämtlich
gegen Erde isoliert. Der Abstand zwischen dem Ge winde der Mutter 3 und demjenigen
der Mutter 4 ist ein ungerades Vielfaches der halben Steigungslänge.
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Wenn sich der Träger längs der Schraube bewegt oder sich um diese
dreht, ändern sich die Kapazitäten zwischen dem Stab und den beiden Muttern in Gegenphase
von einem Mindestwert bis zu einem Höchstwert. Bei jeder halben Drehung oder halben
Steigungsl änge werden Kapazitäten sich gleich.
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Der Punkt, bei dem sich diese Kapazitäten gleich werden, wird durch
eine Wechselstrombrücke mit einem Transformator 10 mit Mittelanzapfung und einem
die Brücke mit Wechselspannung speisenden Oszillator 11 genau bestimmt. Die erste
graphische Darstellung (3A) der Fig. 3 stellt die Ausgangswechselspannung der Brücke
dar: diese wird von einem phasenempfindlichen Detektor 12 detektiert, so daß sich
eine gemäß der Umhüllenden verlaufende Ausgangsspannung ergibt, wie die Kurve 3
C darstellt.
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Die Nullpunkte A, A' usw. befinden sich in Abständen gleich der Steigung
voneinander. Weil jede der Muttern mehrere Gänge enthält, ergibt sich der Vorteil,
daß die Fehler in der Länge des Gewindes oder des Stabes in der Mutter ausgeglichen
werden. Dies gilt auch für die Nullpunkte B, B', aber der Abstand zwischen den Nullpunkte21,4
und den Nullpunkten B kann durch Fehler im Abstand zwischen den Muttern 3 und 4
durch Herstellungsfehler der Flächen 5 und 6 beeinflußt werden; aus diesem Grunde
wird nur ein Satz Nullpunkte, und zwar die Nullpunkte A, für die Messung verwendet.
Das Auftreten des Satzes unerwünschter Nullpunkte wird dadurch verhütet, daß eine
dritte Mutter 14 Verwendung findet. Vom gleichen Oszillator wird eine Wechselspannung
zwischen dem Stab und dieser dritten Mutter erzeugt; dies erfolgt mittels einer
zweiten Transformatorbrücke 15 in der die dritte Mutter in bezug auf eine konstante
Kapazität 16 ausgeglichen wird. Die Ausgangsspannung der Brücke 15 ist in Fig. 3B
dargestellt; die entsprechende Umhüllende 3 D wird in einem zweiten phasenempfindlichen
Detektor 17 abgeleitet.
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Die Gänge der dritten Mutter sind in bezug auf diejenigen der beiden
anderen Muttern um Abstände verschoben, die gleich ungeraden Vielfachen der Viertelsteigungslänge
sind, so daß jeder Nullpunkt in der Ausgangsspannung der Mutter 14 einem Höchstwert
oder einem Mindestwert der Ausgangsspannung des ersten phasenempfindlichen Detektors
12 entspricht.
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Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung der
dritten Mutter zum Einschalten
der Anzeigevorrich tung Anwendung finden, derart, daß jeder zweite Nullpunkt 3 C
weitergegeben wird, während die anderen Nullpunkte beseitigt werden. Dies kann in
der in Fig. 2 dargestellten Weise dadurch erfolgen, daß die Ausgangsspannungen in
Vorrichtungen 18 und 19 in Rechteckspannungen 3 E und 3 F umgewandelt werden. Die
Ausgangsspannung der Vorrichtung 19 ist an einem Relais 20 und einem Umschalter
21 wirksam, der den Anzeiger 22 mit dem Ausgang des phasenempfindlichen Detektors
12 verbindet. Der Erregungsstrom für den Schalter 21 ist bei 3 G dargestellt. In
der einen Lage des Schalters ist die Vorrichtung22 über 18 angeschlossen; wenn somit
ein unerwünschter Nullpunkt auftritt, wird die Anzeige rasch umgeschaltet. Gleichviel
wie langsam die Muttern zur Nullage hin bewegt werden, eine Ausgangsspannung Null
tritt nicht auf. Wenn der Anzeiger von einer Bedienungsperson zur Erlangung der
Nullpunkteinstellung verwendet wird, so ist dieser Nullpunkt jedoch unerreichbar,
weil das Meßgerät entweder eine volle positive oder eine volle negative Ausgangsspannung
zeigt. Dieser Zustand ist bei 3 H dargestellt, wo der plötzliche Übergang der Anzeige
angegeben ist, die durch die Wirkung der Vorrichtung zum Erzeugen der Rechteckspannung
bei einem unerwünschten NullpunktB verursacht wird.
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In der anderen Lage des Schalters, wenn das Relais 20 stromlos ist,
ist der Anzeiger unmittelbar mit dem Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 12
verbunden, so daß er den allmählichen Übergang von negativ zu positiv angibt, dem
man zum Einstellen der Maschine entsprechend den gegebenen Anzeigen links oder rechts
(s. A und A' in 3 H) folgen kann.
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Die dargestellten Brückenschaltungen enthalten je einen Transformator,
und sie geben somit eine Anzeige gleicher Kapazität zwischen den beiden Muttern,
sogar wenn Streukapazitäten vorhanden sind. Dies ist in Fig. 4 deutlicher dargestellt,
in der C1 und C2 die Kapazitäten der Muttern sind, während die Streukapazitäten
des Stabes und der Muttern gegen Erde durch C3, C4 und C5 angegeben sind.
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Es können auch mehrfache Gewindeflächen Verwendung finden, wenn nur
sämtliche Flächen die gleiche Steigung und die gleiche Gangzahl haben. Wenn ein
n-faches Gewinde mit einer Steigung von p cm Verwendung findet, wiederholt sich
die Ausgangswellenform in Abständen von p/?i cm, während bei einer Verschiebung
um p cm 2n Nullpunkte auftreten. In der gleichen Weise wiederholt sich die Wellenform
n-mal je Umdrehung der Schraube, wobei 2n Nullpunkte auftreten.
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Hinsichtlich der praktischen Ausführungsform hat sich herausgestellt,
daß es bei Verwendung von Muttern und einem Stab aus Stahl bei einer Steigung von
2,5 mm erwünscht ist, daß die axiale Tiefe des Gewindes mindestens 0,625 mm ist;
Steigerung der Tiefe bis über diesen Wert hat wenig Auswirkung.
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Der Luftspalt zwischen dem Gewinde der Muttern und dem des Stabes
kann zwischen 0,05 und 0,125 mm liegen, wobei die Kapazitäten zwischen 50 und 200
pF liegen. Die Änderung dieser Kapazitäten (vom Höchstwert zum Mindestwert) ist
etwa 20°/, ein typischer Wert der Kapazität liegt zwischen 200 und 160 pF. Die Oszillatorfrequenz
kann 25 kHz betragen, obgleich im Bereich zwischen z. B. 10 und 100kI-Iz auch andere
Frequenzen gewählt werden können, je nach den verwendeten Transformatoren.
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Das geschilderte System kann Verwendung finden, um einen Schlitten
oder einen Tisch in folgender
Weise einzustellen. Der Träger wird
am Schlitten oder Tisch befestigt und ist gegen Verdrehung ge sichert, wenn der
Vorschub wirksam ist. Wenn somit die Vorsehubspindel gedreht wird, um den Schlitten
oder Tisch in eine gewünschte Lage einzustellen, erseheinen nacheinander die Nullwerte
am Anzeiger.
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Wenn der gewünschte Nullwert angenähert erreicht ist. wird, wenn angenommen
wird, daß die Messungen sich auf einen Bruchteil einer Gewindesteigung beziehen,
der Träger gelöst und eine entsprechende Drehbewegung bewirkt. Die Vorschubspindel
wird dann noch etwas weitergedreht, bis das Meßgerät eine Nullanzeige liefert.
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Nian kann auch den Teil des Abstandes anfangs durch Drehung des Trägers
einstellen, wonach der Schlitten oder Tisch in einem einzigen Arbeitsgang eingestellt
wird, bis ein Nullpunkt bei oder in der Nähe von der gewünschten Grobeinstellung
angezeigt wird.
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Wenn die Steigung 2,5 mm ist, zeigt das Meßgerät einen Nullpunkt
für jede Umdrehung des Trägers oder für jede Verschiebung des Schlittens oder Tisches
um 2,5 mm an.
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Es kann ein Mikrometer vorhanden sein, daß für die Winkeleinstellung
des Trägers auf einen bestimmten Teilabstand von weniger als 2,5 mm verwendet wird.
Auch kann ein solches Gerät Verwendung finden, um die richtige Drehung und Einstellung
des Äl aß stabes zu erhalten.