DE1799452U

DE1799452U - Induktiver messfuehler zur umsetzung, insbesondere linearer bewegungen in elektrische groessen.

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Publication number: DE1799452U
Application number: DES23562U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-04-25
Filing date: 1957-04-25
Publication date: 1959-11-05

Description

e.

zur Meßfühler zur Umsetzung

insbesondere linearer Bewegungen in elektrische Größen Zur Abbildung von drehenden Bewegungen als elektrische Größen sind Drehmelder und ähnliche Einrichtungen bekannt, deren Ausgangsspannung nach Amplitude bzw. Phase von der Bewegung-abhängig ist.
Um auch lineare Bewegungen in ähnlicher Weise abbilden zu können, hat man bereits induktive Meßfühler gebaut, bei denen der Maßstab aus Glas bestand. Derartige Meßfühler konnten jedoch die an sie zu stellenden Genauigkeitsanforderungen nicht erfüllen. Bei einer der wichtigsten Anwendungen, nämlich zur Koordinatensteuerung von Werkzeugmaschinen, ist wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Maschinenstrahles und des Maßstabes eine Genauigkeit von 1/100 mm, wie sie meist verlangt wird, nicht zu erreichen. Außerdem führt die induktive Kopplung im Fühler ohne magnetische Rückschlüsse zu einem geringen Leistungspegel und damit zu einer hohen Störanfälligkeit.
Auch die große Streuung wirkt sich im Sinne einer Ver-

größerung des Meßfeldes aus.
'Ein induktiver Meßfühler nach der Neuerung ist demgegenüber gekennzeichnet durch eine Drosselanordnung mit zwei getrennten Flußpfaden, die in zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen des aufgeschnittenen Eisenkreises verlaufen und bei Verschiebung der Teile gegensinnig veränderlichen effektiven Eisenquerschnitt aufweisen, während die Summe der Eisenquerschnitte beider Flußpfade konstant ist.
Da im neuen Fühler die magnetischen Kraftlinien in einem Eisenkreis verlaufen, ist die Streuung gering und die verfügbare Meßleistung verhältnismäßig hoch. Außerdem ist es möglich, den Fühler aus dem gleichen Material wie die zu steuernde Maschine herzustellen, so daß die Wärmeausdehnung praktisch keine Rolle mehr spielt.
Der Meßfühler besteht aus einem im allgemeinen ruhenden Teil, dem Maßstab, und einem bewegten Teil, demeigentlichen Fühlerkopf. Diese Teile entsprechen dem Ständer bzw. dem Rotor eines Drehmelders. Während beim Drehmelder im-Ständer wie im Rotor Wicklungen angeordnet sind, vermeidet man beim neuen Meßfühler zweckmäßig elektrische Bauteile-im Maßstab, Der-Grund dafür ist, daß bei der verhältnismäßig großen Länge des Maßstabes jeweils nur ein Bruchteil der Bauelemente in Tätigkeit wäre, während über die übrigen Störungen von außen in das Meßsystem eindringen könnten. Es ist jedoch möglich, den verhältnismäßig langen Maßstab als beweglichen und den kurzen Fühlerkopf als ortsfesten Teil auszubilden. Um die gegensinnige Veränderung des effektiven Eisenquerschnittes beider Flußpfade zu erzielen, ist an beiden Teilen des Eisenkreises an einer Berührungsfläche eine Zahnteilung mit Rechteckprofil vorgesehen. Zahnbreite und Zahnabstand sind hierbei gleich groß. Die Zähne des einen Flußpfades des verschiebbaren Teiles sind gegen die Zähne des anderen Flußpfades, gemessen an der kontinuierlich über die Meßlänge ausgedehnten Teilung des ortsfesten Teiles, um eine Zahnbreite in Längsrichtung versetzt. Am verschiebbaren Teil sind die beiden Flußpfade von je einer Primär-und. einer Sekundärwicklung umfaßt, wobei die Primärwicklungen gleichsinnig, die Sekundärwicklungen gegensinnig in Reihe liegen. Zur näheren Erläuterung der Neuerung seien im folgenden anhand der schematischen Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Abschnitt des ortsfesten Teiles oder Maßstabes 1. Er wird zweckmäßig aus Werkzeugmaschinenstahl in Form von Stangenprofilen hergestellt. Es werden zunächst zwei Längsnuten 2,3 ausgefräst, so daß ein E-Profil entsteht. In den Mittelsteg 4 wird eine Zahnteilung mit Rechteckprofil eingesägt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine 1 mm-Teilung, d. h.-Zahn- und Lückenbreite betragen je 0, 5 mm. In dieser Form ist der Maßstab bereits verwendbar. Es kann jedoch zum Schutz gegen mechanische Einwirkungen zweckmäßig sein, die Hohlräume mit einem Kunststoffharz oder einem anderen nicht leitenden, unmagnetischen Material zu vergießen und anschließend die Oberfläche planzusohleifen.
Statt der 1 mm-Teilung können auch beliebige andere metrische oder nicht metrische Teilungen, insbesondere nach dem Zollsystem, vorgesehen sein. Der Maßstab kann in Abschnitten beliebiger Länge gefertigt, an den Enden plangeschliffenen und an der gesteuerten Maschine nach Art von Endmaßen zusammengesetzt und montiert werden.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zur Ausbildung des verschiebbaren Teiles oder Fühlerkopfes 5. Auch dieser Teil kann aus Stangenmaterial mit Rechteckprofil ähnlich wie der Teil 1 hergestellt werden. Beim Fühlerkopf wird die Steghöhe des B-Querschnittes größer als beim Maßstab gewählt, damit über die Mittelstücke 6, die den Fluß führen, die Wicklungen angebracht werden können. Die Mittelstücke, im Ausführungsbeispiel vier, erhalten gleichfalls eine Zahnteilung mit Rechteckprofil, die der des Maßstabes entspricht.
Auch der Fühlerkopf kann vergossen und abgeschliffen werden. Aus Fig. 3 ist das mechanische Zusammenwirken des Maßstabes mit dem Fühlerkopf ersichtlich. Die Seitenstege gleiten als Laufflächen aufeinander. Bei den Mittelstegen hat sich aus noch zu erläuternden Gründen ein Luftspalt von 0,05 mm als vorteilhaft erwiesen. Die Flußpfade entsprechen denen der bekannten M-Schnitte, vgl. Fig. 3a, so daß eine magnetische Störbeeinflussung von außen praktisch nicht möglich ist.
In Fig. 4 ist das Schema des Zusammenwirkens der Zahnteilung. dargestellt, Die einzelnen Mittelstücke 6 des Fühlerkopfes bilden mit der kontinuierlichen Zahnteilung des Maßstabes 1 insgesamt vier Teilsysteme mit je einem Flußpfad. Zwischen dem ersten und dem zweiten Systemsind die Zähne um eine Zahnbreite, zwischen dem zweiten und dritten um eine halbe und zwischen dem dritten und vierten wieder um eine Zahnbreite versetzt. Wenn sich die Zahnteilung im ersten System deckt, wie in der Fig. dargestellt, fallen die Zähne des zweiten Systems mit den Lücken des Maßstabes zusammen. Im dritten und vierten System wird jeweils. eine halbe Zahnbreite überdeckt.
Aus der Fig. ist unmittelbar ersichtlich, daß bei Verschiebung der beiden Teile des Eisenkreises gegeneinander die Summe der paarweise überdeckten Zahnflächen des ersten und zweiten sowie des dritten und vierten Systems konstant bleibt, jedoch für jedes System sich die überdeckte Zahnfläche ändert, und zwar gegensinnig für die Systeme 1 und 2. bzw. die. Systeme 3 und 4.. Auf dieser Erscheinung beruht die Wirkungsweise des neuen Meßfühlers.

Die Flußpfade jedes Systems sind von je einer Primärwicklung 7, 9, 11, 1. 3 und einer Sekundärwicklung 8,10,12,14 umschlossen. Die elektrische Schaltung der Wicklungen ist aus Fig. 5 ersichtlich. Die Primärwicklungen 7 und 9 des ersten Systems und die Primärwicklungen 11 und 13 des zweiten Systems sind jeweils gleichsinnig in Reihe geschaltet. Legt man an diese Reihenschaltungen eine Wechselspannung U, so ist ihre zulässige maximale Amplitude wegen des konstanten effektiven Eisenquerschnittes unabhängig von der Verschiebung der beiden Teile des Meßfühlers. Es ändert sich hierbei nur die Aufteilung des Flusses auf die Systeme 1 und 2 bzw. die Systeme 3 und 4. Schaltet man daher die Sekundärwicklung 8 und 10 bzw. 12 und 14 gegensinnig. in Reihe, so erhält man aus der Größe'der

induzierten Spannung Ul 2 bzw. u' 4 einMaß für die Fluß-

aufteilung und damit für die Lage des Meßfühlers in Bezug

auf den Maßstab. In der Stellung nach Fig. 4 wird bei-

spielsweise die Spannung voll dem System 1 bzw. je zur

Hälfte von den Systemen 3 und 4 übertragen. Es entsteht

also an der Reihenschaltung der Wicklungen 8 und 10 die.

volle Ausgangsspannung mit dem dem System 1 entsprechenden Vorzeichen., während die Ausgangsspannung der Reihenschaltung der Wicklungen 12 und 14 gleich Null ist.

In Fig. 6 ist die Abhängigkeit der Wechselspannungsamplituden auf der Sekundärseite von der relativen Lage des Fühlerkopfes zum Maßstab dargestellt. Bei den angenommenen

Flächenüberdeckungsverhältnissen ergibt. sich der stark

ausgezogene Dreieckverlauf. Praktisch ist jedoch für die

Flußaufteilung nicht nur die Flächenüberdeckung der Zähne, sondern auch die Streuung maßgebend. Diese wirkt im Sinne einer Abänderung der Dreieckkurve in Annäherung an die Sinusform. Dies ist als Vorteil zuverten, da im allgemeinen eine sinusförmige Abhängigkeit der Spannungsamplitude vom Weg angestrebt wird. Man kann den Streueffekt nach Wunsch beliebig groß wählen, indem man, wie schon erwähnt, einen Luftspalt zwischen den Zahnteilungen vorsieht. Dieser Luftspalt wirkt auch günstig auf die zeitliche Form der abgegebenen Sekundärspannung, d. h. auf deren Klirrfaktor. Wegen der nicht linearen Eigenschaften des Materials, sowie wegen der Wirbelstromeffekte in den nicht geblätterten Meßfühlerteilen würden sonst Verzerrungen auftreten. Eine Schichtung der einzelnen Teile ist im allgemeinen wegen der großen Länge des Maßstabes bei hohen Genaitigkeitsanforderungen nicht möglich. Unter Umständen kann sie jedoch insbesondere bei kurzen Meßfühlern durchbührbar sein. Ferner sind in manchen Fällen auch Ferrite verwendbar. Die Auswirkungen der Wirbelströme sind aber nicht kritisch, da sie im wesentlichen nur die primäre Stromaufnahme, nicht aber die Meßeigenschaft und das Verhalten auf der Sekundäraeite beeinflussen. Man kann die beiden Systempaare 1,2 und 3, 4 an die gleiche Wechselspannung legen, die aus dem normalen Netz mit 50 Hz stammen kann-. Es ist also im Gegensatz zum Bekannten die Anwendung höherer Frequenzen, insbesondere im Tonfrequenzbereich, nicht erforderlich. Man erhält auf der Sekundärseite ein Paar von Wechselspannungen, die sich ähnlich wie bei einem Drehmelder nach einer Sinus-bzw. Cosinusfunktion in Abhängigkeit vom Weg ändern.
Diese Eigenschaft des Meßfühlers kann dazu ausgenutzt werden, ihn mit Drehmeldern oder Drehmeldesystemen zusammenzuschalten, die ein elektrisches Maß für die Abweichung des Fühlerkopfes von einer Sollage liefern.
Im Interesse einer großen Meßleistung ist es zweckmäßig, den Sollwert über die Primärwicklungen einzuführen. Man schaltet hierzu die Primärwicklungspaare an den Sinus-bzw. Cosinusausgang eines konstanterregten Drehmelders oder einer ähnlichen Einrichtung, so daß an ihren Spannungen liegen, deren Amplituden von der Winkelstellung des Drehmelders nach dem Sinus bzw. Cosinus abhängen. Der Drehmelder dient hierbei als Sollwertgeber. Schaltet man nun die Sekundärwicklungspaare in Reihe, so ergeben sich für jede Zahnteilungsperiode zwei Stellungen des Fühlerkopfes,, bei denen die abgegebene Summenspannung gleich Null wird. Der Fühlerkopf besitzt dann die vom Drehmelder vorgegebene Sollage oder weicht von dieser um ein Vielfaches von Halbperioden ab, was in der Regel leicht erkennbar ist.
Diese Verhältnisse sind für eine 1 mm-Teilung in Fig. 7 schematisch dargestellt. Die Spannungen u192 und u3, sind die Ausgangsspannungen am Sinus-bzw. Cosinusausgang des Drehmelders, die zugleich die Eingangsspannungen der Primärwicklungspaare der Systeme 1 und 2 bzw. 3 und 4

darstellen. Die Summenspannung U'1 2 3 4 der in Reihe

,,,

geschalteten Sekundäwicklungspaare läuft zweimal in jeder Teilungsperiode durch Null. Die Nulldurchgänge können linear. mit der Winkelstellung des Sollwertgebers verschoben werden. Zur Gewinnung-eines Gleichstromsignals für eine Stellungsregelung kann man in an sich bekannter Weise phasenabhängige Gleichrichtung. der Sekundärspannung vornehmen.
Der neue Meßfühler gestattet es, geringfügige Verschiebungen mit sehr hoher Genauigkeit wiederzugeben. Um größere Wege mit geringer Toleranz erfassen zu können, kann man mehrere Meßfühler verschiedener Zahnteilung in Kaskade einsetzen. Bei metrischer Teilung ist beispielsweise eine Stufung um den Faktor 10 günstig. Bei noch größeren Wegen kann man die letzte Kaskadenstufe mit einem normalen Drehmelder mechanisch kuppeln, so daß auch Wege in der Größenordnung von 1 oder 10 m erfaßbar sind. Es ist hierbei auf eine sorgfältige Ausführung der Kuppelstellen zu achten. Es ist auch möglich, zwei Fühler mit verschiedener Zahnteilung, beispielsweise 1mm und 1 cm zu einem einzigen

1

Gerät zusammenzufassen. Man werde dann entsprechend viele

Mittelstege vorsehen. Ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Doppelfühler ist in Fig. 8 schematisch dargestellt, die ohne weitere Erläuterung verständlich sein dürfte.
Der Meßfühler-kann statt mit E-Profilen auch mit C-oder anderen Profilen ausgerüstet sein. Maßstab und eventuell Fühlerkopf können ferner auch mit horizontalen und/oder vertikalen Krümmungen versehen sein, um kompliziertere Bewegungen erfassen zu können. Hierbei wird man sich nach der jeweils gegebenen Aufgabe richten. Der neue Meßfühler kann nicht nur für die Koordinatensteuerung von Werkzeugmaschinen, sondern auch für Textilmaschinen, für die Wegmessung in Schweißmaschinen, für die Walzenanstellung in Walzwerken und ähnliche Zwecke verwendet werden, bei denen es auf eine sehr genaue Messung und Abbildung eines Weges ankommt. Auch kann die Abhängigkeit der Amplitude der Ausgangsspannung vom Weg durch entsprechende. Ausbildung des Eisenkreises in weiten Grenzen nach Wunsch beeinflußt werden. 17 Schutzansprüche 8 Figuren

Claims

Schutzansprüche 1. Induktiver Meßfühler zur Umsetzung insbesondere linearer Bewegungen in elektrische Größen, gekennzeichnet durch eine Drosselanordnung mit zwei getrennten Flußpaden, die in zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen eines aufgeschnittenen Eisenkreises verlaufen und bei Verschiebung der Teile gegensinnig veränderlichen effektiven Eisenquerschnitt aufweisen, während die Summe der Bisenquerschnitte beider Flußpfade konstant ist.
2. Induktiver Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile des Eisenkreises an einer Berührungsfläche eine Zahnteilung mit Rechteckprofil

tt besitzen und die Zähne des einen Flußpferdes des ver-

schiebbaren Teiles gegen die Zähne des anderen Fluß- pferdes, gemessen an der kontinuierlich über die Meß-

- länge ausgedehnten Zahnteilung des ortsfesten Teiles, um eine Zahnbreite in Längsrichtung versetzt sind.
3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußpfade von je einer Primärwicklung und je einer Sekundärwicklung umfaßt sind, wobei die Primärwicklungen gleichsinnig, die Sekundärwicklungen gegensinnig in Reihe geschaltet sind.
4. Meßfühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare Teil ein Mehrfaches von zwei Flußpfaden besitzt.
5. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile E-Profile aufweisen.
6. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die : Teile aus dem Vollen gearbeitet sind.
7. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile mit einem nicht leitenden, unmagnetischen Material vergossen und an der Oberfläche geschliffen sind.
8. Meßfühler nach-den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der Zähne ein Luftspalt in den lußpfaden vorgesehen ist.
9. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fühler in Kaskade verwendet sind.
10. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei großen Wegen als Endglieder der Kaskade normale Drehmelder dienen.
11. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fühler verschiedener Zahnteilung zu einem Gerät zusammengefaßt sind.
12. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsfeste Teil in Abschnittslängen hergestellt und an den Enden plangeschliffen ist, so daß mehrere Abschnitte nach Art von Endmaßen zusammensetzbar sind.
13. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnteilung metrisch ist.
14. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnteilung nach dem Zollsystem ausgebildet ist.
15. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 14 für die Steuerung einer Werkzeugmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenteile aus einem gleichartigen Material wie die Maschine bestehen.
16. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drosselanordnungen vorgesehen sind, deren Primärwicklungspaare jeweils an den Sinus-bzw.

Cosinusausgang eines als Sollwertgeber dienenden Drehmelders angeschlossen sind, während die Sekundärwicklungspaare in Reihe geschaltet sind und in der vom Drehmelder bestimmten Sollstellung keine Spannung abgeben.
17. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Fühlers phasenabhängig gleichgerichtet ist.