DE1623660A1 - Messeinrichtung fuer die Verschiebung eines beweglichen Organs gegenueber einem festen - Google Patents

Messeinrichtung fuer die Verschiebung eines beweglichen Organs gegenueber einem festen

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Description

1623860
5644-67
PV 61 006
Priorität 10. 5. 1966
Centre drEtudes et de Recherches de la Machine-Outil Neuilly-sur-Seine (Hauts-de-Seine), Prankreich
Messeinrichtung für die Verschiebung eines beweglichen Organes gegenüber einem festen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Vorrichtung zum Messen der Verschiebung und Ortsbestimmung der Stellung eines beweglichen Organes gegenüber einem festen»
Es ist bekannt, beispielsweise bei Werkzeug maschinen mit numerischer Steuerung, Vorrichtungen zu verwenden, die auf die Bewegung eines beweglichen Organes ansprechen und die während seiner Verschiebung vor einem festen Organ ein elektrisches, analoges oder digitales Signal abgeben.
Die Erfindung bezieht sich auf Digitalvorrichtungen, bei denen die aufeinanderfolgenden Impulse gezählt werden, die während der Verschiebung des beweglichen
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örganes gesendet werden, um dessen Stellung zu bestimmen.
Es ist bereits die Verwendung von kapazitiven Empfängern vorgeschlagen worden, um die Verschiebung eines beweglichen Organes gegenüber einem festen Organ
zu messen und seine Stellung zu bestimmen. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art sind vier verschiedene Elemente vorhanden: eine feste Erregerplatte, die mit einer Ausgangsklemme eines Oszillators verbunden ist, eine in derDrehung bewegliche Platte, die auf einer Spindel aufgekeilt ist, die die Verschiebung des beweglichen Organes steuert und zwei feste Detektorplatten. Die isolierende Drehplatte ist auf ihren beiden Flächen mit Sektoren aus leitendem Metall versehen. Die Detektorplatten.sind voneinander durch ein dielektrisches Material getrennt und winklig so gegeneinander verschoben* daß sie um 90° phasenverschoben sind. Jede von Ihnen ist mit einem Verstärker verbunden.
Bei dieser gleichen bekannten Vorrichtung wird sine Brückenschaltung verwendet, von der ein einziger Kondensator eines der Zweige eine Kapazität hat, die während der Drehung der umlaufenden Platte veränderlich
Die Erfindung hat den Zweck, eine Vorrichtung beträchtlich vereinfachter Bauart gegenüber der vorstehend erwähnten bekannten Vorrichtung zu schaffen.
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Ausserdem zielt trotz dieser vereinfachten Bauweise die Erfindung darauf ab, zwei Kondensatoren mit einer Kapazität zu schaffen, die während der Drehung eines umlaufenden Elementes veränderlich ist, wobei diese veränderlichen Kondensatoren in einen entsprechenden Zweig einer Brückenschaltung eingebracht sind. Dank dieser Anordnung besitzt, wie das nachstehend noch genauer erläutert wird, die Vorrichtung nach der Erfindung eine zweimal größere Empfindlichkeit. Sie wird auch weniger durch die zufälligen Kapazitätsveränderungen der Kondensatoren beeinflußt.
Gemäß der Erfindung ist ein erstes Organ mit mindestens einem der Bestandteile eines jeden von zwei Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität versehen, während das andere Organ entsprechend mit einer Viäzahl von komplementären Bestandteilen dieser beiden Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität versehen ist, wobei diese letzteren Elemente nacheinander mit einer Teilung P angeordnet sind und die ersten Elemente die mit dem ersten Organ fest verbunden sind, selbst um eine Strecke getrennt sind, die gleich einer ganzen Anzahl von Teilungen ist, wobei diese beiden so hergestellten Kondensatoren jeder in einen Zweig einer Brückenschaltung eingebaut ist, von der die beiden anderen Zweige jeder durch einen Bruchteil einer Wicklung mit Zwißchenabnahme bestehen, wobei die genannte Wicklung durch eine Trägerfrequenz
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erregt wird und die Brückenschaltung mit den Eingangsklemmen eines elektronischen Detektor- und Zählgerätes verbunden ist.
Jeder'der am ersten Organ befindlichen Bestandteile besteht aus mehreren untereinander verbundenen Primärelementen, die voneinander um eine Strecke getrennt sind, die gleich einer ganzen Zahl von Halbteilungen ist.
Das erste Organ, das mindestens einen der Bestandteile eines jeden von zwei Kondensatoren trägt, ist ausserdem mit einem anderen Paar von Bestandteilen von zwei anderen Kondensatoren versehen, wobei dieses andere Paar gegenüber dem ersten und den darauffolgenden komplementären Elementen des anderen Organs um eine Viertelteilung verschoben ist, und diese beiden anderen Kondensatoren einen Teil einer anderen Brücken-Schaltung bilden, die analog der vorhergehenden ist, und von der gleichen Trägerfrequenz erregt wird.
Die Kapazität eines Kondensators kann verändert werden, indem getrennt oder gleichzeitig auf den Abstand, der die Platten trennt, auf die Nutzoberflächen der Platten, die dnander gegenüberliegen, auf den Wert der Konstanten des Dielektrikums eingewirkt wird.
Die Erfindung zwingt in keiner Weise zu einer bestimmten Art der Kapazitätsveränderung. Um jedoch die Erfindung besser zu erklären, und alle
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ihre Merkmale herauszuschälen und ihre Vorteile besser zu zeigen, wird nachstehend die Beschreibung einer Ausführungsform gegeben, die als Beispiel gewählt wurde und bei der ohne beschränkende Absicht die Kapazitätsveränderung durch Veränderung der Oberflächen der Kondensatoren erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in den beigefügten schematisohen Zeichnungen dargestellten AusfUhrungsbeispiels.
Fig. 1 ist ein Beispiel einer tatsächlichen Anordnung eines Teiles der Vorridtung nach der Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine kreisförmige Ausführungsform der Bestandteile von zwei Kondensatoren nach der Erfindung,
Fig. -3 ist eine Seitenansicht der Fig. 2,
Fig. 4 ist das Schema einer BrÜokenschaltung der beiden vorstehend genannten Kondensatoren,
Fig. 5 let ein Schema der BrÜckenschaltung nach Fig. 4, und ein Detektor- und Zählgerät,und
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Fig. 6 ist eine Gruppe von graphischen Darstellungen, die die Wellenform in der Vorrichtung und in dem Detektorgerät an verschiedenen Stellen des Schemas der Fig. 4 zeigen.
Bei dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel dient die Vorrichtung nach der Erfindung dazu, die Verschiebung eines nicht dargestellten Schlittens einer Werkzeugmaschine auf seinen Gleitbahnen 1 unter der Einwirkung einer Leitspindel 2 zu messen und zu steuern.
Es wird angenommen, daß das Maschinengestell jj das vorstehend erwähnte feste Organ darstellt und daß das bewegliche Organ nicht der Schlitten selbst sondern die Spindel 2 ist. Ein Teil der Vorrichtung nach der Erfindung wird auf Fig. 1 durch das allgemeine Bezugszeichen 4 bezeichnet. Die Vorrichtung besteht aus zwei veränderlichen Kondensatoren, die in Fig. 2 und J besser gezeigt sind, wo einer von ihnen mit dem Bezugszeichen 5 und der andere mit 6 bezeichnet ist.
Es handelt sich bei diesem Beispiel um Kondensatoren, deren Dielektrikum von der Umgebungsluft dargestellt wird.
Einer der Beetandteile eine· jeden der Kondensatoren 5, 6, beispielsweise eine der Platten 7* 8 ist fest mit dem feeten Organ verbunden, d.ht mit dem Maeohinen-
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gestell 5, das teilweise in Fig. 2 gezeigt ist.
Genauer gesagt, besteht jede Platte 7, 8 aus einer Gruppe von Primärplatten 7a, 7b .... und 8a, 8b die flachen Zungen analog und voneinander durch einen Zwischenraum getrennt sind, der etwas größer ist als ihre eigene Breite.
Die Platten 7, 8 sind mechanisch mit dem Maschinengestell J fest verbunden, aber elektrisch davon isoliert.
Das andere Organ, im vorliegenden Falle die Spindel 2 ist mit einer Vielzahl komplementärer Bestandteile der beiden veränderlichen Kondensatoren 5 und 6 Versehen. Bs handelt sich in diesem Falle um eine Gesamtheit von aufeinanderfolgenden primären Platten 9, die radial zu din primären Plätten fö, fb und 8a, 8b ... angeordnet sind, wie das in Fig. 2 und 5 gezeigt ist.
Die Platten 9 haben eine Breite gleich der der Intervalle, die die primären Platten 7a» ?b ... trennen und sind auf einer kreisförmigen Krone mit einer regelmässigen Teilung P angeordnet. Sie sind elektrlHjh und mechanisch mit der Spindel 2 verbunden, mit der sie in der Drehung verschiebbar sind. Auf diese Art und Welse sind sie auah elektrisch mit
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der Masse der Werkzeugmaschine verbunden.
Es kann festgestellt werden, daß die Teilung einerjeden Platte 7, 8 in zahlreiche, weniger breite, primäre Elemente, die auf eine gewisse Länge verteilt sind, die Neigung hat, die Teilungs- und Exzentrierungsfehler auszuschalten. Das Ausschalten der. zyklischen Fehler der Teilung oder des Parallelismus kann noch verbessert werden, indem mehrere Platten, wie etwa 7 und 8, verwendet werden, die um den von denPlatten gebildeten Kranz verteilt sind.
Die Platten 7* 8 sind voneinander um eine Entfernung getrennt, die gleich einer ganzen Zahl von Halbteilungen P ist, so daß, wenn die primären Elemente 7a, 7b .. des Kondensators 5 sich gegenüber den Platten 9 befinden, die primären Elemente 8a, 8b ... des Kondensators 6 sich gegenüber den Zwischenräumen befinden, die die Platten 9 trennen.
Währendder Drehung der Spindel 2 ändern sich die Kapazitäten der Kondensatoren 5 und 6, die einerseits von den Platten 7 und 8 und andererseits von denPlatten 9 gebildet werden, zwischen einem Maximal- und Minimalwert wegen der Veränderung der einander gegenüberliegenden Nutzflächen. Wenn im übrigen einer der Kondensatoren, beispielsweise der Kondensator 5, eine Höchstkapazität hat, hat der andere Kondensator 6 im gleichen Zeitpunkt
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eine Mindestkapazität.
Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die Vorrichtung nach der Erfindung eine Brückenschaltung auf, die aus einer Wicklung 10 mit einer mittleren Abzapfung 11 und · den beiden veränderlichen Kondensatoren 5 und 6 besteht. Jeder Zweig der Brücke umfaßt eine Hälfte der Wicklung 10 und einen der veränderlichen Kondensatoren.
Die Platten 9 sind mit der Masse, wie bereits gesagt, an einem Zwischenpunkt 12 verbunden, während die mittlere Abzapfung 11 mit einer Eingangsklemme eines Detektor- und Meßkreises verbunden ist, dessen Schema durch Fig. 5 dargestellt wird.
Die Wicklung 10 ist induktiv mit einer anderen Wicklung I^ gekuppelt, in der mit Hilfe eines nicht dargestellten Schwingkreises eine Trägerwelle der Frequenz f erzeugt wird. Diese Welle, die in dem Schema der Fig. 5 bei A abgenommen wird, ist in üblicherArt und Weise bei A^n Fig. 6 dargestellt.
Die gleiche Welle wird in der Wicklung 10 induziert, aber da die Kapazitäten der Kondensatoren 7 und 8 eines jeden Zweiges der Brücke gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung bei jeder Umdrehung der Leitspindel schwanken, wird zwischen den Klemmen 11-12 der Brücke eine in ihrer Amplitude modulierte
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Welle abgenommen, die beispielsweise bei B in dem Schema der Pig. 5 abgenommen, ebenfalls in Fig. 6 dargestellt ist.
Es ist festzustellen, daß die Brückenschaltung nach der Erfindung einen Empfänger schafft, der unabhängig von den unfreiwilligen oder zufälligen Veränderun gen der Abstände zwischen Elektroden ist und eine gute Nullstabilität sicherstellt.
Der Wert der Frequenz f ist nicht bedeutsam. Er braucht nur genügend groß gewählt zu werden, damit die Impedanz der kapazitiven Zweige im Verhältnis zu der des Detektor- und Meßstromkreises der an den Klemmen 11-12 der Brücke angeschlossen ist, gering ist.
Die Erfindung zwingt in keiner Weise die spätere Behandlung des Signales auf,das an den Verbindungsklemmen der Brückenschaltung abgenommen wird. Diese Behandlung erfolgt in klassischer Art und Weise mit Hilfe bekannter Schaltungen, die darauf abzielen, eine in der Amplitude modulierte Welle in rechteckige Signale einer bestimmten genügend hohen Spannung umzuwandeln.
In diesem Beispiel weist das Schema nach Fig. 5» das nicht weiter im einzelnen beschrieben wird, bei C eine Verstärkerstufe mit großer Eingangsimpedanz auf,
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die aus einem Transistor in Schaltung mit einem gemeinsamen Kollektor besteht. Das Signal wird dann bei D (siehe auch D in Fig. 6) gleichgerichtet und danach bei E in einem Koinzidenzstromkreis ET demoduliert und in seinen Spitzen abgekappt ( bei E ist in Fig. 6 die Form des Signales am Ausgang des Demodulators nach dem Filtern und Abkappen der Spitze dargestellt). Schließtlich wird es bei F- in einem monostabilen Kippstromkreis in rechteckige Form gebracht. Bei F1 und F2 sind in Fig. 6 die Veränderungen der Spannung zu sehen, die an den Klemmen F. und Fp der Kollektoren des Stromkreises F abgenommen werden.
Während der Drehung des beweglichen Organes wird bei diesem Beispiel mit Spindel 2 und den beweglichen Platten 9 eine zinnenförmige Ausgangsspannung erzielt, die der Teilung P der Platten 9 entspricht— Diese Spannung wird genügend hoch gemacht, um sie dem Einfluß von Störungen zu entziehen.
Indem durch eine bekannte Vorrichtung die aufgenommenen Spannungsspitzen gezählt werden, wird der Winkel, um den sich die Spindel 2 gedreht hat, genauestens ermittelt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Wert der Spannung der rechteckigen Signale unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des beweglichen Organes im
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Verhältnis zu dem festen Organ ist.
Wenn die Versehiebungsrichtung des beweglichen Organes festgestellt werden soll, wird ein zweiter Satz von zwei den Platten 7 bis 8 analogen Elektroden angeordnet, indem sie im Verhältnis zu diesen gegenüber den beweglichen Platten um eine Viertelteilung in der Phase verschoben werden. Der zweite Satz veränderlicher Kondensatoren, die so gebildet wurden, wird in eine Brückansehaltung mit einer anderen Wicklung mit mittlerer Abzapfung eingebracht, die induktiv mit der Wicklung 15 und gleichzeitig mit der Wicklung 10 gekoppelt ist. Ein zweites elektronisches Detektorgerät identisch dem nach Pig. 5 liefert ein zweites gezacktes Signal, das um eine Viertelteilung im Verhältnis zum ersten Signal nach vorne oder nach hinten in der Phase verschoben ist. Das Feststellen dieser Phasenverschiebung durch übliche Mittel gibt Auskunft Über die Versehiebungsrichtung des beweglichen Organes.
Die materielle Ausführungsform der Elemente, die die Kondensatoren bilden, kann mit jeglichen beliebigen als vorteilhaft beurteilten Mitteln geschehen, je nach den vorliegenden Umständen ( mit Zähnen versehene Räder oder Sektoren, die geschnitten oder gegossen sind, aus Metall oder aus einem metallisierten Isoliermaterial, gedruckten Sromkreisen usw. ..)·
Die Anordnung der beweglichen Platten ist nicht
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notwendigerweise die eines kreisförmigen Kranzes, sondern kann die einer Linie mit beliebigem Biegungsradius sein oder im Grenzfall sogar einer geraden Linie, renn die Verschiebung des beweglichen Organes auf einer geradlinigen Bahn erfolgt.
Wie bereits erwähnt, könnte die Veränderung der Kapazität der Kondensatoren ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, auch erfolgen, indem auf einen anderen Parameter als den der Nutzoberfläche der Platten eingewirkt wird. Beispielsweise könnte eine dielektrische Substanz mit veränderlicher Dielektrizitätskonstanten von dem beweglichen Organ zwischen den festen Platten der beiden miteinander fest verbundenen Kondensatoren des festen Organes verschoben werden. Ebenso wird die Art der Modulation der Trägerwelle nicht von der Erfindung erzwungen.
Es ist auch möglich, indem die Vorrichtung der Erfindung verwendet wird, eine wirkliche Digitalverschlüsselung zu erzeugen, indem dem festen und beweglichen Organ mehrere Brückenstromkreise zugeordnet werden. Die Bestandteile der veränderlichen Kondensatoren können in diesem Falle vom beweglichen Organ mit gleichen oder verschiedenen Geschwindigkeiten mitgenommen werden.
Es 1st demgemäß klar, daß die Erfindung jegliche Veränderungen und Abwandlungen- deckt, die nicht aus dem Rahmen oder Geist der Erfindung herausfallen. l

Claims (1)

  1. Patentansprüche; ^ : χ-
    1. Vorrichtung zum Messen der Verschiebung und der Ortsbestimmung eines beweglichen Organes im Verhältnis zu einem anderen festen Organ mit einem kapazitiven Verschiebungsempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Organ (l) mit mindestens zwei Bestandteilen (7,8) eines jeden von zwei Kondensatoren (5» 0) mit veränderlicher Kapazität versehen ist, während das andere Organ entsprechend mit einer Vielzahl von komplementären Elementen (9) versehen ist, die Bestandteil dieser beiden Kondensatoren veränderlicher Kapazität sind, wobei diese letzeren Elemente nacheinander mit einer Teilung F angeordnet sind und die ersten Elemente (7*8) die fest mit dem ersten Organ (l) verbunden sind, selbst um eine Strecke voneinander getrennt sind, die gleich einer ganzen Anzahl von Teilungen ist, wobei diese beiden Kondensatoren (5* 6), die so gebildet werden, jeder in den Zweig einer Brückenschaltung eingesetzt sind, deren beide anderen Zweige jeder aus einem Teil einer Wicklung (10) mit Zwischenabzapfung bestehen und wobei die genannte Wicklung durch eine Trägerfrequenz erregt wird und die Brückenschaltung mit den Eingangsklemmen eines elektronischen Detektor- und Zählkreises verbunden ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Bestandteile (9) der sich an dem ersten
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    «ι go o ce a
    Organ (2) befindet, aus möhferen primären Elementen besteht, die miteinander verbunden und voneinander um eine Strecke getrennt sind,die gleich einer ganzen Zahl von Halbteilungen ist,
    3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Organ, das mindestens einen der Bestandteile eines jeden von zwei Kondensatoren trägt, ausserdem mit einem anderen Paar von Bestandteilen von zwei anderen Kondensatoren versehen ist, wobei dieses andere Paar im Verhältnis zu dem ersten Paar und zu den folgenden komplementären Elementen des anderen Organes um eine Viertelteilung in der Phase verschoben ist und diese beiden anderen Kondensatoren einen Teil einer anderen BrÜekenschaltung bilden, die analog der vorangegangenen ist und von der gleihen Trägerfrequenz erregt wird,
    1I-. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Elemente (9) in ihrer Verschiebung mit dem beweglichen Organ (2) fest verbunden sind, mit dem sie auch elektrisch verbunden sind, wobei die Masse dieses beweglichen Organes elektrisch mit der Eii®tngsklemme verbunden ist, die ihrerseits mit der Masse des elektronischen Detektor- und Zählorganes vetounden ist, während die komplementären Bestandteile (7, 8) eines jeden der Kondensatoren (5, 6) mechanisch
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    fest mit dem festen Organ (l) und elektrisch mit den entsprechenden Anschlußklemmen der Wicklung mit Mittelabzapfung verbunden sind.
    5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Elemente entlang einer gebogenen Linie vorzugsweise kreisförmiger Art, angeordnet sind.
    6. Vorrichtung mch Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Elemente entlang einer geraden Linie angeordnet sind.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Gerät im wesentlichen eine Stufe für. das Feststellen der von der Brückenschaltung modulierten Trägerfrequenz, eine Abkappstufe für die festgestellte Welle und eine monostabile Multivibratorstufe umfaßt.
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