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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige des Verlaufes
eines axial beweglichen, undrehbaren Bohrwerkzeuges beim Vorschub parallel und längs
einer vorgegebenen Achse eines rotierenden Werkstückes, die aus einem Schneidkopf
und einem Fühler mit Anzeigeeinrichtungen zur Anzeige des Verlaufes besteht.
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Zum Ausbohren halbfertiger--Sehmiedestücke, beispielweise Geschützrohre,
ist es bekannt, eingeeignetes Bohrwerkzeug langsam durch das rotierende Teil in
axialer Richtung zu führen. Dabei kommt es vor, daß das Bohrwerkzeug, je tiefer
es eindringt, allmählich von der Umdrehungsachse verläuft. Ein solcher Verlauf ist
in den meisten Fällen unerwünscht und unzulässig, insbesondere bei Geschütz- und
Gewehrläufen.
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Der Verlauf des Bohrwerkzeuges ist meist unkontrollierbar, und es
erscheint schwierig, zuverlässig beispielweise Geschützrohre od. dgl. mit hoher
Genauigkeit und ohne Ausschuß in den gewünschten Mengen herzustellen.
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Soweit Meßvorrichtungen auf diesem Gebiet bekannt sind, beispielsweise
durch die deutsche Auslegeschrift 1032 683, die deutschen Patentschriften 427 836,
688 315, 644 333 und die USA.-Patentschrift 2120 386 handelt es sich dabei im wesentlichen
um Wandungsfühler, die lediglich die Genauigkeit der Bohrung anzeigen können, aber
nicht deren etwaigen Verlauf.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll demgemäß die Aufgabenstellung
gelöst werden, eine Meßvorrichtung zur Anzeige des Verlaufes eines axial beweglichen,
umdrehbaren Bohrwerkzeuges zu schaffen, mit deren Hilfe eine einwandfreie Verlaufsanzeige
möglich ist, ohne daß es dabei einer unmittelbaren Abtastung der Bohrungswandung
bedarf.
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Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der genannten Art gelöst,
die nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß der Fühler aus einer am Bohrwerkzeug
beweglich gelagerten und auf Beschleunigungen des Bohrwerkzeuges aus seiner Mittellage
reagierenden Trägheitsmassenanordnung gebildet ist, die mit einer elektrischen Signalgebereinrichtung
in an sich bekannter Weise zum Erzeugen eines Signals in Abhängigkeit vom Verlauf
des Bohrwerkzeuges in Verbindung steht.
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Für die elektrische Signalerzeugung, Weiterleitung und Anzeige stehen
dabei ohne weiteres bekannte Elemente und Schaltungen zur Verfügung.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes ist dieser in beispielsweiser
Ausführungsform zeichnerisch ; dargestellt. In dieser Darstellung zeigt F i g. 1
schematisch eine teilweise geschnittene Ansicht der Vorrichtung in Verbindung mit
einem auszubohrenden Gewehrlauf, F i g. 2 schematisch einen Gewchrlaufquerschnitt
mit zur Verdeutlichung extrem exzentrisch liegender Bohrung, F i g. 3 ein Vektordiagramm,
F i g. 4 ein Schema der elektronischen Anlage zur Registrierung des Verlaufs, F
i g. 5 schematisch teilweise in Schnitt und Ansicht das Bohrwerkzeug mit einem Fühlerkopf,
F i g. 6 einen Schnitt längs Linie 6-6 gemäß F i g. 5, F i g. 7 eine andere Ausführungsform
der Vorrichtung, F i g. 8 schematisch eine weitere Ausführungsmöglichkeit des Fühlers,
F i g. 9 schematisch ein Analogon zu F i g. 8, F i g.10 das elektrische Schaltschema
zu F i g. 8 und F i g.11 eine graphische Veranschaulichung der Ausgangsspannung
des Schaltkreises gemäß F i g.10. Gemäß F i g. 1 ist ein Werkstück 10, dessen äußere
Oberfläche 12 bereits in engen Toleranzen fertigbearbeitet ist und das eine vorgeschmiedete
Bohrung 14 aufweist, in Lagern 18 gehalten. Ein Zahnkranz 20,
mit dessen
Hilfe das Werkstück 10 in den Lagern gedreht werden kann, ist außen an einem Ende
des Werkstückes 10 befestigt und kämmt mit einem Ritzel22', das mit einem hier nicht
dargestellten Motor oder einem anderen geeigneten Antrieb verbunden ist. Das Werkstück
ist in hier nicht dargestellter Weise axial fixiert. Eine axiale verschiebliche
Bohrstange, die das Werkzeug trägt, ragt von einer nicht gezeigten Halterung in
die Bohrung 14 und endet in einem Bohrstahlhalter 26, dessen Bohrstähler 28 in die
Innenfläche des Werkstückes 10 einschneiden. Eine zylindrische Manschette 30, vorzugsweise
aus Kunststoff, sitzt auf der Bohrstange 24, um die Bohrspäne nach vorn zu schieben.
Die geschmierte Manschette hat einen gering größeren Durchmesser als die Fertigbohrung.
Ein Aufnahmesockel 32, der den Fühler 34 trägt, ist so bemessen, daß er in die rohe
vorgeschmiedete Bohrung paßt.
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In F i g. 2 ist die Mitte der Bohrung mit B bezeichnet und übertrieben
nach rechts abweichend von der Laufachse A bzw. 16 gezeichnet. Der sogenannte Verlauf
ist der Abstand von A bis B, und wird im folgenden mit Q (z) bezeichnet.
Dieser Vektor wird als Funktion von Z angegeben, da der Verlauf über die gesamte
Bohrlänge variiert. Z sei Null am Bohrwerkzeugseintritt und nimmt positiv in Richtung
der Laufmündung zu. Wenn der Verlauf Q(z) gleich Null ist, fällt Punkt
B mit Punkt A zusammen, und die Bohrung verläuft zentrisch. Falls
sich jedoch während der Bohrarbeit Punkt B von Punkt A radial entfernt,
kreist Punkt B um Punkt A mit einer Umfangsgeschwindigkeit Q (z) #
r), wobei co die Winkelgeschwindigkeit in 1/sec ist. Die Umfangsgeschwindigkeit
ist in F i g. 2 als ein Pfeil direkt vom Punkt B nach oben gezeigt.
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Während Punkt B um die Achse A kreist, ändert der Vektor der Umfangsgeschwindigkeit
ständig die Richtung, und es ergibt sich die Zentrifugalbeschleunigung
was die radiale Beschleunigung a, darstellt, der jedes im Punkt B befindliche Teilchen
unterliegt. Diese radiale Beschleunigung ist ein rotierender Vektor wie Q(z). Er
kann deshalb in horizontale und vertikale Komponenten aufgeteilt werden, die die
Beschleunigung der Werkzeugmitte in bezug auf die Mittellinie der Achse 16 darstellt.
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Daraus ergibt sich: ar(z - t) = a,(z) [cos - ei
t -I- j sin co t].
Wenn man nur die horizontale Komponente betrachtet,
macht der Punkt B eine sinusförmige Verschiebung und eine sinusförmige Beschleunigung.
Es ist bekannt, daß bei konstantem c), Q (z) aus einer Messung der horizontalen
Beschleunigung ermittelbar ist mit einem horizontal orientierten Beschleunigungsmesser,
oder Q(z) kann gemessen werden, indem man in B direkt ein Pendel aufhängt.
Die
Drehzahl im gewählten Beispiel gemäß F i g.1 sei 140 U/min. Dann ist die Winkelgeschwindigkeit
oder 2 7v # 2,33 1/sec. Da die Beschleunigung von c)2 abhängt, während diese Tatsache
nicht für die Verschiebung gilt, und da a) sehr klein ist, ist es bequem, die Verschiebung
mit Hilfe von w und vom Verlauf zu messen.
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Eine Analyse des Verhaltens des Pendels zeigt F i g. 3, in der das
mit 40 bezeichnete Pendel im Punkt B, der in der Achse des Werkzeuges im Fühler
34 liegt, montiert ist. Der Punkt B entspricht Punkt B der F i g.
2 und kreist um Punkt A, falls sich ein Verlauf einstellt. In F i g. 3 bildet Punkt
A den Nullpunkt eines X-Y-Koordinatensystems. Die Masse des Pendels 40 ist
im Punkt 42 konzentriert gedacht und hat einen festen Abstand L vom
Punkt B.
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Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Werkstückes 10 kann im wesentlichen
als konstant (im Beispiel 2,33 1/sec) und die Amplitude des Winkels 0, durch den
der Pendelarm schwingt, kann in bezug auf die Vertikale leicht gemessen werden.
Auf die Masse 42
wirkt vertikal nach unten die Kraft --. mg. Die Kraftkomponente
der Masse 42 in Richtung zum Angelpunkt B beträgt dann mg cos 0, wobei 0
der Augenblickswinkel ist, den das Pendel jeweils zur vertikalen Achse bildet. Die
andere Kraftkomponente ist mg sin (9. Der horizontale Abstand der Masse 42
von der Achse des Werkstückes ist mit x. bezeichnet; der entsprechende horizontale
Abstand zwischen der Masse 42 und einer Senkrechten durch den Punkt B ist
mit x., - xB bezeichnet, wobei xs die Amplitude der Horizontalkomponente
der Bewegung des Punktes B um die Achse A ist. Die sinusförmige Kurve
um die Y-Achse stellt demgemäß den seitlichen Ausschlag des Punktes B in Abhängigkeit
von der Zeit dar.
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Die Kreisfrequenz «)n des Pendels ist bekanntlich
Nachweisbar ist der Ausschlag einer pendelnden Masse, die an einem sich seitwärts
bewegenden Punkt aufgehängt ist, ähnlich dem Ausschlag einer einfachen seismischen
Masse, die an einer Feder hängt. Diese Feder ist verbunden mit einem vertikal beweglichen
oberen Aufhängungspunkt.
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Aus dieser Beziehung läßt sich ableiten, daß 0 - xB
o, wobei xB o die Amplitude der horizontalen Komponente der Bewegung
des Punktes der F i g. 3 ist.
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Die Verlaufsmessung wird dadurch zu einem Problem, daß ein Pendel
am Punkt B angebracht werden muß, das in der Mitte des Bohrkopfes aufgehängt ist,
und daß zur Messung der Amplitude von Null aus der Winkel, um den das Pendel ausschwingt,
von der Horizontalkomponente der Verlaufsverschiebung abhängt.
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Eine geeignete Vorrichtung zur Umwandlung des Winkelausschlages in
eine proportionale Spannung ist ein mitlaufender veränderlicher und an sich bekannter
Differentialtransformator. Dieser Trafo hat vier Klemmen ähnlich wie ein normaler
Transformator. Die Ausgangsspannung des Transformators ist direkt proportional zum
Winkel 0, um den eine Welle im Transformator von einem Bezugspunkt am Gestell
gedreht wird. Wenn beispielsweise die Primärwicklung mit einem konstanten Wechselstrom
von 800 Hz pro Sekunde erregt wird, dann weist die Sekundärwicklung einen Trägerstrom
von 800 Hz auf, der die Änderungen des Winkels O aufmoduliert. Falls der Winkelausschlag
einer sinusförmigen Bewegung entspricht - z. B. 2,33 Hz ---- erhält der Trägerstrom
von 800 Hz eine sinusförmige Modulation von 2,33 Hz proportional zu O. Da 0 proportional
ist zur Horizontalkomponente des Verlaufs, gibt ein elektrisches Signal die Information
über die Größe des Verlaufs.
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F i g. 4, die ein Blockschaltbild darstellt, bestehend aus einer Serie
von Blöcken, von denen jeder einen Stromkreis darstellt, zeigt die elektronische
Ausrüstung in Verbindung mit dem Fühler, der den Transformator enthält. Diese Ausrüstung
trennt elektrisch die vom Fühler erzeugte Modulation, filtert sie, richtet sie gleich
und zeigt den sich ergebenden Verlauf auf einem Meßgerät. Die in F i g. 4 gezeigte
Einrichtung gibt weiterhin die Möglichkeit, den Verlauf ständig zu kontrollieren,
wenn das Bohrwerkzeug entlang der Z-Achse bzw. der Laufachse vorgeschoben wird,
und ist so geschaltet, daß, falls der Verlauf über die maximal zulässige Grenze
hinausgeht, ein Alarmzeichen ertönt und die Bedienungsperson der Bohrvorrichtung
aufmerksam macht.
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Ein Wien-Brücken-Oszillator 50 von 800 Hz gibt sein Ausgangssignal
auf einen Dämpfer 52. Dieser Dämpfer wirkt als Widerstandsumformer, indem
er dem Oszillator 50 einen hohen Widerstand entgegensetzt und einen Generator mit
niederer Impedanz für den Betrieb eines Verstärkers als Trenner des Oszillators
von Belastungsschwankungen unabhängig macht. Ein weiterer Verstärker 54 wird mit
Hilfe eines Nachübertragers der Belastung angeglichen (primärseitig am Fühler).
Alle diese Elemente sind bekannt.
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Der Fühler 34 moduliert die 800 Hz mit einer Frequenz von etwa 2,33
Hz und erzeugt eine modulierte Trägerfrequenz. Ein 800-Hz-Engpaßfilter
56 mit Signalkontrolle 57 ist am Fühler 34 angeschlossen, nimmt die modulierte
800-Hz-Trägerfrequenz auf und leitet sie zuerst durch einen auf 800 Hz abgestimmten,
serienmäßigen, hochqualitativen LC-Schwingkreis. Alle Modulationssignale über 10
Hz pro Sekunde erzeugen Seitenbänder, die 810 oder weniger als 790 Hz überschreiten
und die durch den Schwingkreis 56 wesentlich gedämpft werden. Das Engpaßfiltersignal
wird dann durch einen Zweiweggleichrichter, der als erster Detektor 60 wirkt, gleichgerichtet,
nachdem er einen 800-Hz-Vorverstärker 58 durchlaufen hat. Der Demodulator oder erste
Detektor 60 enthält einen RC-Filter mit niedrigem Durchgang und besitzt einen Zeiger
62 zur Anzeige der Wirkungsweise des elektronischen Systems an diesem Punkt des
Kreises.
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Der erste Detektor 60 dient weiter dazu, mit Hilfe eines Vorverstärkers
64 von 2,33 Hz mit Vorverstärkereingangskontrolle 66, einem Schmalbandverstärker
vom Typ »Wien-Brückea mit 2,33 Hz zu beliefern, der Frequenzen außerhalb von 2,1
bis 2,5 Hz stark dämpft. Der Verstärker 68 ist mit einer Engpaßfrequenzkontrolle
70 ausgestattet. Engpaßfilter, Vorverstärker, Detektoren u. dgl. sind ebenfalls
allgemein bekannte Elemente.
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Ein zweiter Einwegdiodendetektor 72, mit einem RC-Netz einer 10-sec-Zeitkonstanten,
dient zur Gleichrichtung des Signals aus dem Engpaßverstärker, zur Beseitigung von
Brummgeräuschen und zur überleitung eines geglätteten Gleichstroms zum Verlaufsanzeiger
74. Mit einer Meßempfindlichkeitskontrolle75 reguliert man den Demodulator oder
zweiten Detektor 72.
Ein Antriebsmotor mit konstanter Drehzahl
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und mit Endschalter und Endsignal 78 besitzt einen Synchronmotor
mit untersetztem Getriebe. Die verbundenen Stromkreise ermöglichen den Antrieb dieses
Motors mit 60- oder 120-Hz-Wechselstrom mit einer Erhöhung der Geschwindigkeit im
Verhältnis 2:1. Die sich bei 60 Hz einstellende niedrige Geschwindigkeit wird zweckmäßig
zur Vorbearbeitung und die bei 120 Hz zur Fertigbearbeitung benutzt. Der Antriebsmotor
76 kontrolliert ein Z-Achsen-Meßpotentiometer 80 mit Funktionskontrolle 82 und Dreifachpotentiometer.
Die Welle dieses Potentiometers 80 ist mit der Ausgangswelle eines Untersetzungsgetriebes
gekuppelt. Das Potentiometer wird als Zunahmekontrolle zwischen dem zweiten Detektor
und dem Ausgang des 2,33-Hz-Engpaßfilters 68 verwendet.
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Bei Beginn des Bohrvorganges wird der Antriebsmotor angelassen und
dreht mit konstanter Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit ist proportional dem
konstanten Vorschub der Bohrstange entlang der Laufachse. Demgemäß nimmt der Zuwachs
des Verlaufsanzeigers mit dem Vorrücken des Bohrrohrs dergestalt ab, daß der volle
Ausschlag auf dem Verlaufsmesser immer gleich dem Grenzwert des Verlaufs jedes Meßpunktes
ist. Bei einer solchen Anordnung ist ein Satz von Kontakten genau an den Skalenendpunkten
des Verlaufsmessers vorgesehen; und falls es vorkommt, daß ein Wert des Verlaufs
in einer Position auf -der Z-Achse den vorherbestimmten Grenzwert überschreitet,
der das Meßgerät voll ausschlagen läßt und die Kontakte schließt, wird ein Relais
geschlossen, das zur Betätigung einer Rufvorrichtung, wie Glocke, Hupe, Summer,
Licht od. dgl., dient. Eine Verzögerung bei der Verlaufsanzeige unterbricht den
Alarmstromkreis, bis die Bohrstange zu einem Punkt Z vorgedrungen ist, an dem der
Verlauf die maximal zulässige Toleranz überschreitet.
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Die maximal zulässige Verlaufstoleranz variiert je nach Stellung des
Werkzeuges in bezug auf die Lauflänge, d. h. für jede Stellung auf der Z-Achse gibt
es einen spezifisch zulässigen Verlauf.
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In F i g. 5 ist ein Fühler im Detail gezeigt. Der ganze Fühler sitzt
dicht verschlossen in einem vorzugsweise gehärteten Stahlzylinder 86, um den Fühler
gegen die anfallenden Späne zu schützen.
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Der Zylinder 86 ist mit Hilfe einer Aufnahme 32 am Bohrwerkzeughalter
26 angebracht. Der Transformator 88 ist von einem Bleimantel 90 umgeben und mit
einer Planscheibe 92 und einer Welle 94 verbunden. Die Welle 94 sitzt in zwei Lagern
96, 98, die in Stegen 100, 102 innerhalb des Zylinders 86 angeordnet sind. Eine
Nockenscheibe 104 ist mit der Welle 94 verkeilt und so ausgebildet, daß sie gegen
eine verstellbare Sperre 106 anschlägt. Eine Bohrung 108 durchzieht die Welle 94.
In ihr verlaufen Drä te 110, die von einem die Welle 94. In ihr verlaufen Drähte
110, die von einem Stator 109, der in Lagern 113 gehalten ist; und einem Rotor 111,
beide im Innern des Transformators, ausgehen. Eine Rotorwelle 112 ragt als Teil
des Transformators 88 axial aus diesem heraus und trägt das Pendel 114, das scheibenförmige
Gestalt hat und einen ringförmigen Ausschnitt besitzt, sowie eine Vielzahl von radialen
Bohrlöchern 118 in der äußeren Umrandung, um eine erwünschte Unwucht zu erhalten.
Weiterhin ist eine Unwucht 121 am Pendel 114 angebracht. Der Bleischutz 90 am Trafo
88 endet im Oberteil desselben in einer Aussparung, die in F i g. 6 mit 120 bezeichnet
ist. Der Zweck des Bleimantels besteht darin, den Trafo bei der Drehung zu isolieren
und ihn vor den Verdrehungen des unter Schneidbelastungen stehenden Bohrkopfes zu
schützen. Mit Hilfe von Schrauben 124 ist ein hinteres Pendel 122 an der Welle 94
befestigt.
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Ist bei Inbetriebnahme die Position des Bohrkopfes so, daß sie mit
der Achse des Laufes zusammenfällt, erhält das Pendel wenig oder gar keine Bewegung,
und durch das Pendel wird dem Fühlersignal keine Modulation aufgeprägt. Bei auftretendem
Verlauf kreisen der Bohrkopf 26 und der Fühler 34 um die Mittellinie der Umdrehung
des rotierenden Werkstückes 10, wodurch das Pendel 114 oszilliert und dazu dient,
die 800-Hz-Frequenz zu modulieren. Die Schaltung gemäß F i g. 4 erzeugt dann einen
Impuls, der ein Signal auslöst, falls der Verlauf ein vorher festgelegtes Toleranzmaximum
überschreitet, je nach Stellung des Bohrkopfes 26 im auszubohrenden Lauf nach Anzeige
des Potentiometers 80.
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Das Werkstück 10 wird mit einer Drehzahl entsprechend 2,33 Hz gedreht
und verursacht um die Längsachse der Bohrstange ein Drehmoment als Reaktionsmoment
zu den Schneiden. Dieses Drehmoment ist auf Grund der ungleich auftretenden Schnittkräfte
nicht konstant, wodurch die Bohrstange 24 und der Fühler 34 dauernd einer variierenden
Verdrehungsabweichung unterworfen sind, die sich mit den Differentialtransformator-Bewegungen
überkreuzen können.
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Falls die Bohrstange 24 in der Drehung unendlich steif wäre, betrüge
ihre Verdrebungsabweichung Null, und man könnte den Stator 109 direkt auf das Ende
der Bohrstange 24 montieren. Da sich die Bohrstange jedoch wirklich verdreht, und
der Stator direkt auf der Bohrstange montiert ist, wird er sich wie erwähnt ebenfalls
verdrehen in bezug auf das Pendel 114, so daß der Differentialtransformator ein
Signal abgeben würde, das die Verdrehung, aber nicht den Verlauf anzeigte. Da ein
so erzeugtes Signal eine 2,33-Hz-Komponente enthielte, wäre es unmöglich, dieses
Signal von dem Verlaufssignal zu unterscheiden.
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Aus diesem Grunde wird der Transformator nicht direkt auf den Bohrkopf
26 montiert, sondern ist gegen Verdrehung mit der Welle 94 isoliert in den Lagern
96, 98 angeordnet. Ein bleibeschwertes hinteres Pendel 122, das an der Welle 94
hängt, verleiht dem System zusätzlich Verdrehungsträgheit und ergibt eine Bezugsstellung,
da das Pendel 122 immer zum Erdmittelpunkt zeigt.
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Diese geschilderte Verdrehungsisolierung allein ist tatsächlich noch
nicht ausreichend, auch bei Verwendung der besten verfügbaren Lager und einer maximale
dung der besten verfügbaren Lager und einer maximalen Bleibeladung am Pendel 122.
Wenn das hintere Pendel 122 jedoch wesentlich über 2,33 Hz pro Sekunde abgestimmt
wird, tritt ein anderer Mechanismus auf.
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Die unregelmäßige Verdrehung der Bohrstange 24, die durch die Lager
96, 98 übertragen wird, bewegt die hintere Pendelanordnung (122, 94, 92, 90 und
109) und bringt es zu dauernden Schwingungen mit normal gegebener Frequenz, im vorliegenden
Falle 4,1 Hz. Damit kommen aber die Kugeln der Lager 96, 98 während etwa 95111,
der Gesamtzeit in rasche Bewegung, und deshalb sind die Lager 96, 98 in stärkerem
Maße in einem Zustand dynamischer als statischer Reibung. Folglich ist das Drehmoment,
das diese Lager übermitteln. eine Größenanordnung niedriger als für den
statischen
Fall. Das Ergebnis ist, daß keine 2,33-Hz-Komponente des Drehmoments den Stator
109 erreicht. Bei auftretendem Verlauf spricht das hintere Pendel schwach auf den
2,33-Hz-Verlaufsreiz an. Auf Grund der 4,1-Hz-Oszillation der Gruppe 122, 109, 90,
94 befinden sich die Lager 113 des Differentialtransformators auch im Zustand der
dynamischen Reibung zu etwa 9511/0 der ganzen Zeit. Auch das vordere Pendel 114
spricht demzufolge nur schwach auf den Verlaufsreiz an. Da es auf einen Wert unter
der Verlaufsfrequenz von 2,33 Hz abgestimmt ist, spricht es auf diese an und hat
eine entgegengesetzte Phase zu der des hinteren Pendels 122, 90. Das sich ergebende
Signal ist daher das Ergebnis dieser zwei Bewegungen.
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Die elektronischen Stromkreise der F i g. 4, die nur eine 2,33-Hz-Modulation
zum Verlaufsmesser 74 durchlassen, weisen alle Signale mit 1,1 oder 4,1 Hz vollständig
ab. Ohne das dauernde Hin- und Herschwingen des hinteren Pendels mit 4,1 Hz wäre
es nahezu unmöglich, eine ordentliche Verdrehungsisolierung innerhalb der geringen
Variationsbreite der zur Verfügung stehenden mechanischen Mittel zu erreichen.
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In F i g. 7 ist ein elektrolytischer Potentiometerfühler, auf dem
Schwerkraftsystem beruhend, gezeigt, welcher zur Bewegung mit dem Pendel und zum
Abtasten der Winkelbewegung desselben montiert werden kann. Ein Glasbehälter 140
hat ein Paar Meßelektroden 142, 144 und eine Elektrode 146 mit gleichem Abstand
zu den beiden Elektroden 142, 144 und enthält einen die Elektroden berührenden Elektrolyt
148, der, wie ersichtlich, eine Luftblase 150 enthält. Im Behälter 140 entsteht,
wenn er am Angelpunkt des Pendels 40 gehalten wird, ein gleichmäßiges Eintauchen
der Elektroden 142 und 144 in den Elektrolyten, und die Widerstände von jeder Elektrode
zur normalen Elektrode 146 werden gleich sein. Wenn man den Behälter 140 kippt,
gleitet die Blase 150 aus der Mitte, und es ändert sich der Eintauchgrad jeder Elektrode,
was eine Variation der relativen Widerstände zwischen den Meßelektroden 142 und
144 und der Elektrode 146 zur Folge hat.
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So tasten die Elektroden 142 und 144 eine Kippveränderung ab und erzeugen
einen Ausgang, der der Variation der elektrischen Widerstände zwischen den Elektroden
proportional ist.
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In der praktischen Ausführung, bei der mit diesem elektrolytischen
Potentiometer gearbeitet würde, ersetzt dieser Potentiometerfühler den Differentialtransformator
34 im Stromkreis der F i g. 4. Der 800-Hz-Eingang wird an einer Klemme mit der Elektrode
146 und an der anderen Klemme durch ein Paar abzweigender 1000-Ohm-Widerstände R1
und R2 mit den Elektroden 142 und 144 verbunden. Der Ausgang erfolgt von den Elektroden
142, 144 aus über einen Transformator T. Ein oszillierendes Kippen oder eine seitliche
Bewegung des Potentiometerfühlers riloduliert dann den 800-Hz-Eingang bis zu einem
Grad, der dem Grad des Kippens, folglich dem Verlauf des Bohrwerkzeuges, entspricht.
Es sei bemerkt, daß der Stromkreis die Form einer Brückenschaltung besitzt, und
bei keiner Neigung wird der Spannungsausgang des Stromkreises 10 Millivolt erreichen.
Der Ausgang kann beim Kippen des Fühlers bis zu 10 Volt erreichen.
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In F i g. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Fühler 34
gemäß F i g. 4 gezeigt. Eine metallene Hohlkugel 154 von 1/2 Zoll Außendurchmesser
ist in einem elektrischen Feld, das von drei Trag- oder Fühlerelektroden 156, 158,
160 gebildet wird, aufgehängt. Diese Elektroden erhalten ihre Energie selbsttätig
gesteuert aus Windungen 160, 162 und der Eingangsquelle 164. Der Ausgang erfolgt
über die Abnahmewicklung 166. Eine Torsionsverschiebung der Tragelektrode resultiert
aus einer Nulltorsionskupplung von den Elektroden zur Kugel. Die Kugel 154 spricht
auf eine seitliche Beschleunigung etwa an wie das in F i g. 9 gezeigte elastische
System, in dem eine Masse M zwischen den Federn K1 und K2 aufgehängt ist. Der der
F i g. 8 entsprechende Stromkreis ist in F i g. 10 gezeigt, wo Cl, C2 und C3 mit
der Kugel 154 die Kapazitäten darstellen entsprechend zu den Elektroden 156, 158
und 160. il und i2 sind die entsprechenden Ströme.
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Wenn sich die Kugel 154 nach links bewegt, nimmt Cl zu und CZ ab.
Der Strom!, ist dann stärker als der Strom 12, und wenn sich die Kugel nach
rechts bewegt, geschiehtEntsprechendesentgegengesetzt, und der Phasenausgang an
der Windung 166 verschiebt sich um 180°C und erzeugt einen Spannungsverlauf, wie
er in F i g. 11 dargestellt ist.
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Ein bevorzugter Differentialtransformator verwendet zwei feste Windungen
mit gemeinsamem Kern im Stator. Der durch den Kern fließende Magnetfluß hängt ab
von
| a) der Erregung auf der Primärseite, die konstant |
| gehalten wird; |
| b) dem magnetischen Widerstand des Magnetstrom- |
| kreises, der die Primärseite mit der Sekundärseite |
| verbindet. |
Der Rotor des Transformators enthält einen verjüngten Weicheisenkern, womit dafür
Sorge getragen ist, daß eine veränderliche Menge weichen Eisens für den Weg des
Magnetflusses vorhanden ist entsprechend der Bewegung des Rotors zum Stator. Das
wesentliche ist hierbei, daß sich die Primär- und Sekundärwicklungen nicht bewegen.
Der Rotor steuert den magnetischen Widerstand des Magnetstromkreises und bestimmt
auf diese Weise die Spannungshöhe, die an den Ausgangsklemmen des Transformators
auftritt.
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Die Arbeitsweise des Fühlers gemäß F i g. 5 ist folgende: Das vordere
Pendel 114 wird auf eine Verdrehungsfrequenz von 1,1 Hz eingestellt, d. h. weit
genug unter die 2,33-Frequenz der Umdrehung des Werkstückes. Das hintere Pendel
122 wird auf 4,4 Hz eingestellt. Wenn-es aber mit den gezeigten Schrauben mit der
Welle 94 verbunden ist, dann bilden hinteres Pendel 122, Hohlwelle 94 und Transformatorstator
92 eine Gruppe und haben eine Torsionsfrequenz von 4,1 Hz, was weit über dem Wert
2,33 Hz der Laufumdrehungsfrequenz liegt. Wenn die Bohrstähle 28 zu schneiden beginnen,
verursachen die Schnittkräfte eine unregelmäßige Verdrehung. Wenn sich der Bohrwerkzeughalter
26 verdreht, verdreht sich auch das Gehäuse 86 des Fühlers mit ihm. Die Lager 96,
102 und 113 sind anfänglich in einem Zustande der statischen Reibung (hoher Reibungswert),
aber in dem Maße, wie sich die. Winkelverdrehung des Bohrkopfes erhöht, verursacht
die natürliche, aus der Gravitation stammende rücktreibende Kraft des Pendels, daß
die Lager in einen Zustand der dynamischen Reibung, die kleiner als die statische
ist, übergehen, solange sie sich bewegen. Das dauernde unregelmäßige Verdrehen des
Bohrkopfes auf Grund der Schneidbelastung regt unregelmäßig, aber dennoch entsprechend
das hintere
Pendel in der Weise an, daß es dauernd mit 4,1 Hz vor-und
zurückschwingt, wobei es den Trafo-Rahmen mitnimmt. Dieses dauernde Vor- und Zurückschwingen
des hinteren Pendels hält beide Lagersätze im Zustand dynamischer Reibung.
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Damit sind zwei Vorteile verbunden:
| a) Geringe Torsionsenergie (2,33 Hz) kommt vom |
| Bohrkopf 26 durch die Lager 96 und 98 zum |
| hinteren Pendel, so daß kein Fehler auf Grund |
| der Bohrstangenverdrehung auftritt; |
| b) die Lager 96, 98 und 113 sind weitgehend frei, |
| das hintere und vordere Pendel sprechen beide |
| auf 2,33 Hz einer seitlichen Anregung von kleiner |
| Größe an und tragen so zu einem empfindlichen |
| Fühler bei. |
Es sei wiederholt; daß das vordere Pendel auf unter 2,33 Hz abgestimmt ist, während
das hintere Pendel über dieser Frequenz liegt. Ihre Reaktion auf diese 2,33 Hz werden
deshalb etwa 18Q° phasenverschoben sein, d. h. wenn das Pendel 114 im Uhrzeigersinn
schwingt und das Pendel 122 im entgegengesetzten Uhrzeigersinn. Das ist richtig,
da das Signal vom Differentialtransformator die Summe der beiden Winkel ist. Ohne
dieses dauernde Schwingen des hinteren Pendels mit 4,1 Hz als Ergebnis der gelegentlichen
Energieimpulse, die es vom Bohrkopf her erhält, wäre der ganze Fühler unempfindlich
und für die gestellte Aufgabe unbrauchbar, Diese Gegebenheit beseitigt den größten
Teil der Lagerreibung und macht den Fühler sehr empfindlich. Die hintere Pendelgruppe
schwingt gleichzeitig mit zwei Frequenzen, nämlich 4,1 Hz, der Torsionsfrequenz,
und 2,33 Hz, entsprechend der seitlichen Bewegung des ganzen Fühlers bei umkreisender
Frequenz.