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Einrichtung zur Steuerung oder Regelung von Längs- oder Drehbewegungen
Für die Programmsteuerung von Längs- und Drehbewegungen, beispielsweise des Vorschubes
bei Werkzeugmaschinen, ist bereits eine Vielzahl verschiedener Steuersysteme bekanntgeworden.
Sie arbeiten beispielsweise mit Meßeinrichtungen nach dem Durchleuchtungsverfahren
mit optischen Mitteln, oder mit magnetischen Meßeinrichtungen unter Verwendung einer
eingeprägten Magnetisierung. Während beim optischen Verfahren der Maßstab von beiden
Seiten zugänglich sein muß, ergibt sich bei magnetischen Meßeinrichtungen eine erhöhte
Störanfälligkeit gegenüber Fremdfeldern. Ferner sind Verfahren bekannt, die nach
dem Drehmeldeprinzip - für Längsbewegungen mit in die Ebene aufgerolltem Drehmelder
- arbeiten. In diesem Falle sind Anschlußleitungen sowohl am ortsfesten als auch
am beweglichen Teil erforderlich. Darüber hinaus wirken sich der geringe Signalpegel
und Störabstand dieser Meßgeräte ungünstig aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die den bekannten Programmiersystemen
anhaftenden Nachteile zu vermeiden und mit geringem Aufwand die Steuerung oder Regelung
von beliebigen Längs- oder Drehbewegungen mit ausreichender Genauigkeit zu ermöglichen.
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Es ist an anderer Stelle vorgeschlagen worden, zur Messung von Wegen
einen Maßstab als weichmagnetisches Strichraster auszubilden und diesen Maßstab
mit einem Lesekopf abzutasten, der aus einem im wesentlichen geschlossenen magnetisch
erregten Kreis mit Fühlspalt besteht. Die Ausgangsspannung des Lesekopfes ist vom
Grad der Überbrückung des Fühlspaltes durch das Strichraster und damit von der Stellung
des Lesekopfes abhängig.
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Zur reinen Wegmessung kommt man grundsätzlich mit einem einzigen Fühlspalt
aus, da es hierbei nur darum geht, die während der Relativbewegung zwischen Maßstab
und Lesekopf auftretenden Maxima der Ausgangsspannung festzustellen. Für die Steuerung
sind jedoch mindestens zwei Fühlspalte, die in bestimmter Beziehung zueinander stehen,
bzw. zwei Leseköpfe mit entsprechender Zuordnung erforderlich.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens zwei Fühlspalte mit voneinander unabhängiger magnetischer Erregung um
ein ungeradzahliges Vielfaches der Strichteilung des Maßstabes gegeneinander versetzt
sind.
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Bei Verwendung zweier Leseköpfe werden die Ausgangsspannungen, die
um 90° in der Phase verschoben sind, zu einer Summenspannung zusammengesetzt. Verwendet
man zwei Fühlspalte in einem einzigen Lesekopf, so ist jedem Fühlspalt eine Erregerwicklung
zuzuordnen, deren Magnetflüsse sich normalerweise gegenseitig aufheben.
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Die Abfrage kann auf induktivem Wege erfolgen, indem im Flußweg des
Fühlspaltes, beispielsweise auf einem Mittelschenkel, eine geeignete. Wicklung angeordnet
ist. Statt dessen kann man auch in an sich bekannter Weise einen Hallgenerator zur
Abtastung heranziehen. Dadurch erzielt man den Vorteil, daß auch eine Erregung mit
Gleichspannung möglich wird.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung seien im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Die Ausführungsbeispiele
beziehen sich auf die Verwendung von Hallgeneratoren, sind jedoch ohne weiteres
auch für induktive Abtastung verwendbar. Zu diesem Zweck ist jeweils statt des Haugenerators
auf dem betreffenden Schenkel des Lesekopfes eine Abfragewicklung anzuordnen.
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Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung nach der Erfindung unter Verwendung
zweier E-förmiger Leseköpfe, in deren Mittelschenkel Hallgeneratoren angeordnet
sind. Jeder Lesekopf 1, la ist mit zwei Fühlspalten 2, 3 bzw. 2a, 3a versehen. Er
weist Polschuhe 4, 5 bzw. 4a, 5 a auf. Die beiden Hallgeneratoren 6, 6
a
sind in den Luftspalten der Mittelschenkel 7, 7a angeordnet. Dabei ist beim
Lesekopf 1 der Hallgenerator in seiner wirklichen räumlichen Lage dargestellt, während
er beim Lesekopf l a, lediglich um die elektrischen Anschlüsse deutlicher zu zeigen,
gedreht dargestellt ist.
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Das Strichraster mit der Teilung a besteht aus Stegen 8 und Zwischenräumen
9. Die beiden Leseköpfe 1 und 1a sind um ein ungeradzahliges Vielfaches
der
Teilung gegeneinander versetzt. Sind also beispielsweise, wie in Fig.1 dargestellt,
die Fühlspalte des Lesekopfes l a überbrückt, so stehen den Fühlspalten des Lesekopfes
1 Zwischenräume9 gegenüber.
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Die Felderregung der Leseköpfe kann mit dem Steuerwechselstrom (Spannungen
UE 1, UE 2) und die Steuerstromversorgung für die Hallgeneratoren mit Gleichspannung
(US) erfolgen. Statt dessen kann man aber auch getrennt vom Steuerwechselstrom die
Erregerwicklungen mit Gleichstrom speisen. Die beiden Hallspannungen sind in Reihe
geschaltet, so daß sich an den Klemmen 10, 11 die Summe der Hallspannungen UH ergibt.
Die beiden Spannungen UE 1 und UE 2 sind um 90° gegeneinander phasenverschoben.
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Die Summenhallspannung an den Klemmen 10; 11 hat eine Phasenlage,
die von den Amplituden der Einzelhallspannungen abhängig ist. Hat beispielsweise
die eine Hallspannung ihr Maximum; die andere ihr Minimum, so hat die Summenhallspannung
die Phasenlagen der maximalen Einzelspannung. Haben nach Verschiebung der beiden
Leseköpfe um eine halbe Strichteilung die beiden Hallspannungen den gleichen Wert,
so ist die Summenhallspannung um 45° gegen die Teilhallspannung phasenverschoben.
Man kann daher die Ausgangsspannung an den Klemmen 10, 11 in der bei Drehmeldersystemen
bekannten Weise zur Steuerung verwenden und einen Weg vorgeben, der einen beliebigen
Bruchteil der Strichteilung enthält. Die hohe Signalleistung beim Gegenstand der
Erfindung führt zu großer Betriebssicherheit.
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Eine andere Möglichkeit zur Programmierung ist in Fig.2 dargestellt.
Auch hier ist ein E-förmiger Eisenkreis 12 vorgesehen, der grundsätzlich die gleiche
Form wie der bei den Leseköpfen nach Fig. 1 hat. Die beiden Fühlspalte 13, 14 sind
hier jedoch um ein ungeradzahliges Vielfaches der Strichteilung a gegeneinander
versetzt, so daß bei Überbrückung eines der Fühlspalte durch einen Strich 8 der
andere Fühlspalt frei bleibt. An die Erregerspannung UE, die imAusführungsbeispiel
als Gleichspannung angenommen ist, sind zwei Erregerwicklungen 15, 16 angeschlossen,
die den beiden Fühlspalten 13, 14 zugeordnet sind. Mit Hilfe von Stellwiderständen
17, 18 kann man im Normalzustand einen exakten Abgleich der Erregerflüsse erzielen,
so daß der Hallgenerator 19 bei vom Strichraster abgehobenem Lesekopf die Hallspannung
Null abgibt. Diese symmetrische Flußverteilung wird nun durch die weichmagnetischen
Striche des Maßstabes je nach der Stellung des Lesekopfes gestört. Von der Überbrükkung
des einen oder anderen Luftspaltes hängt die Richtung des den Haugenerator durchsetzenden
Magnetflusses ab. Bei Verwendung eines Steuergleichstromes für den Hallgenerator
erhält man also während der Verschiebung des Lesekopfes eine periodisch ihr Vorzeichen
wechselnde Hallspannung. Für die Zuführung der Steuerspannung sind zwei Steuerwicklungen
20 und 21 vorgesehen, die an eine an sich bekannte Trafokombination zur Vorgabe
der gewünschten Stellung angeschlossen werden können. In Fig. 2 ist mit 22 eine
derartige Trafokombination bezeichnet, über die nähere Einzelheiten beispielsweise
aus der USA.-Patentschrift 2 849 668 hervorgehen. Durch Umschaltung der Abgriffe
bei der Trafokombination 22 kann man Steuerspannungen derart vorgeben, daß bei jeder
beliebigen Stellung des Lesekopfes in Bezug zum Maßstab der Gesamtfluß Null im Hallgenerator
entsteht und damit die Hallspannung UH verschwindet.
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Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 besteht die Möglichkeit,
statt eines Haugenerators eine induktive Abfragewicklung auf dem Mittelschenkel
des Lesekopfes anzuordnen.
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Wie groß die Strichteilung a ausfallen wird, hängt von der praktisch
erreichbaren Auflösung ab. Wird der Maßstab beispielsweise so hergestellt, daß auf
einer urmagnetischen Unterlage eine weichmagretische Folie, etwa aus Mu-Metall,
aufgeklebt und die Strichteilung durch photographische Übertragung und nachfolgende
Ätzung erzeugt wird, so kann man mit einer Auflösung von 1 mm, gegebenenfalls auch
bis zu 0,1 mm, rechnen. Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 sind in dieser
Hinsicht selbstverständlich nicht maßstabsgetreu aufzufassen. Wird für a der Wert
von 1 mm gewählt, so, sind die Breiten der Mittelschenkel 7 und 7 a in Fig. 1 als
ein ungeradzahliges Vielfaches von 1 mm zu wählen, beim Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 dagegen als ein geradzahliges Vielfaches; während die Fühlspalte etwa die
Breite der Strichteilung haben können.
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Da sich bei derHerstellung von weichmagnetischen Maßstäben kleine
Unregelmäßigkeiten nicht ohne weiteres vermeiden lassen; kann man zur Erhöhung der
Genauigkeit, wie in anderem Zusammenhang bereits bekannt, mehrere parallel geschaltete
Luftspalte anwenden. Dabei tritt zugleich auch eine Erhöhung der Dynamik auf, da
der wirksame Gesamtluftspalt bei mehreren Parallelluftspaltenentsprechend verringert
wird.
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Eine Möglichkeit zur praktischen Ausbildung eines solchen Lesekopfes
ist in den Fig. 3 und 4 schematisch dargestellt. Auf einer urmagnetischen Unterlage
23 sind weichmagnetische Streifen 24, 25 und 26 angeordnet, die in der Umgebung
der Mittelachse 27 kammartig mit Zähnen 28 und Zwischenräumen 29 ausgebildet sind.
Die weichmagnetischen Streifen sind auf der Oberseite der Grundplatte 23 umgebogen.
An diesen Stellen wird der magnetische Anschluß mit dem E-förmigen Eisenkern 30
hergestellt, wobei in einem Luftspalt zwischen dem Streifen 25 und dem Mittelschenkel
31 des Kanals 30 ein Hallgenerator 32 angeordnet sein kann. Statt dessen ist es
wieder möglich, auf dem Mittelschenkel 31 eine induktive Abfragewicklung anzuordnen.
Die Erreger- und Steuerwicklungen des Kerns 30 sind der Einfachheit halber nicht
dargestellt.
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Fig: 4 zeigt einen Schnitt durch einen derartigen Lesekopf längs der
Linie IV-IV der Fig. 3.
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Im unteren Teil der Fig. 3 ist ferner noch eine Ausbildungsmöglichkeit
für den weichmagnetischen Maßstab gezeigt. Auf einer urmagnetischen Unterlage 33
ist eine weichmagnetische Folie 34 aufgeklebt, die beispielsweise durch Ätzung mit
Ausnehmungen 35 versehen wurde. Die dazwischen stehenbleibenden Stege 36 bilden
ein Strichraster in der Umgebung der Mittelachse 27. Denkt man sich den Lesekopf
über den Maßstab geklappt, so daß die Achsen 27 zusammenfallen, so erkennt man,
daß durch die Stege 36 des Meßstabes dann, wenn sie Zähnen 28 der Kämme gegenüberstehen,
die parallel geschalteten Luftspalte überbrückt sind.