DE2048428B2

DE2048428B2 - Induktiver Meß Umformer

Info

Publication number: DE2048428B2
Application number: DE2048428A
Authority: DE
Inventors: Douglas William Ballantyne Penicuik Midlothian Muir (Grossbritannien)
Original assignee: Findlay Irvine Ltd
Current assignee: Findlay Irvine Ltd
Priority date: 1969-10-06
Filing date: 1970-10-02
Publication date: 1973-12-13
Also published as: DE2048428A1; GB1319586A; US3684961A; FR2064946A5; DE2048428C3

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Mcßum- B5 former zur Umformung einer mechanischen Verschiebung in eine elektrische Größe. Dieser Umformer kann z. B. zum Anzeigen bzw. Messen der Lage oder zum Positionieren eines Werkzeugs relativ zi einem Werkstück oder eines Werkstücks relativ zi einem Werkzeug verwendet werden.

Die bekannten Meßumformer dieser Bauart wer den insbesondere für automatische Transfermaschi neu verwendet und lassen sich nur in einem sehr en gen. vorbestimmten Verschiebebereich betreiben Wenn dieser Bei eich überschritten wird, ist keim Anzeige oder Steuerung vorgesehen.

Es ist bekannt, den Meß-Limformer mit einem ge genüber einem Tastkopf relativ verschieblichen Bau Feil zu versehen und den Tastkopf in einer Wechsel strommeßbrückenschaltung anzuordnen und ihn übe die Brückensclialtung mit einer Gleichrichterstufe zi verbinden, an deren Ausgang ein Gleichspannungs signal nach Betrag und Vorzeichen die Abweichuns des Bauteils von der Null-Lage anzeigt.

Der Erfindung liegt die Aulgabe zugrunde, ein zusätzliches Signal zu erzeugen, daß die Nähe des ver sehteblichen"Bauteils zur Sollage anzeigt und durci Verknüpfung mit dem Gleichspannungssignal aucl die Richtung der Verschiebung erkennen läßt, urn. zwar unabhängig davon, ob das verschiebliche Bau teil aus dem vorbestimmten Bereich hinaus verscho beil wird oder nicht.

Gemäß der Erfindung wird di-'se Aufgabe durcl die im Kennzeichen "des Anspruchs 1 genannter Maßnahmen gelöst.

Mit Hilfe des Ausgangssignals wird also die Rieh tung, in der des verschiebliche Bauteil bewegt wer den muß, um es in den vorbestimmten Bereich zi bringen, angezeigt, und dadurch entfällt eine An fangseinstellung von Hand, beispielsweise bei Lage regeleinrichtungen. Das zusätzliche Signal kann aucl dazu verwendet werden, die Amplitude des Anzeige signals derart zu regeln, daß Änderungen der Spaltbreite zwischen dem verschieblichen Bauteil und den-Tastkopf kompensiert werden.

Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltunger und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in der Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft ar Hand von Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

F i g. 1 ist ein Blockschaltbild eines induktiver Mcß-Umformers, der zum Anzeigen der Lage odei zum Positionieren eines Werkzeugs relativ zu einerr Werkstück verwendet werden kann;

Fig. 2 stellt den zeitlichen Verlauf einiger Signak dar, die in dem Umformer nach Fig. I auftreten;

Fig. 3 zeigt den Tastkopf nach Fig. 1 in teilweise zusammensetzen! Zustand.

Nach Fig. 1 ist an einen Oszillator 10 ein Ausgangstransformator mit zwei Sekundärwicklungen 11 und 12 angeschlossen, die mit zwei Wicklungen eines Tasikopfes 13 verbunden sind. Der Transformatoi kann auch als Teil des Oszillators angesehen werder und zusätzlich mit einer Rückkopplungswicklunj: versehen sein. Bei dem Tastkopf ist die Reluktanz in dem Magnetkreis der beiden Wicklungen des Kopfes differentiell veränderbar.

Die Reluktanz wird auf diese Weise durch ein verschicbliches Bauteil 14 verändert, das aus fcrromagnetischem Material besteht und über die Taslfläche des Tastkopfes verschoben werden kann. Die beiden Wicklungen des Kopfes 13 und die Sekundärwicklungen 11 und 12 liegen in einer Brückenschaltung so daß, wenn das Bauteil 14 eine vorbestimmte Soll-Lage einnimmt, die Impedanzen der beiden

W ickhmgen des Kopfes bleich sind und das Aii:·.-gar:gv.ignal de:, Kopfes am Anschluß 15 null ist. W'lmt, da.-. Bauteil !4 aus der Soll-Lage vorschoben wird, nimmt die Amplitude do:; V. 'echsehiüiuils aiii Anschluß 15 bis au!" einen Maximalwert /u. wobei e-, je nach der Kicluung der Verschiebung des Bauteils 14 in bezug auf die Soll-Lage entgegengesetzte Phasenlage aufweist.

Dices \ erschiebungsanzeigesiünal wird durch emen Verstärker 16 verstärkt und einem Synehrontor * > 17 zuiK'iührt. das für die Dauer jeder positiven LIaIbwellt durch ein Steuersignal de·, Os/illaiiTs Ii! iiher einen Tori reiber 18 geüfiivi wird und als Phasentliskriminator wirkt. Das Ausgansissignal des Tors 17 besteht daher aus negativen oder positiven Halbwellen lies Ausgangs signals des Kopfes 13 in Abhängigkeit von der Richtung der Verschiebung des Bauteils 14 aus der Soli-Lage. Die Amplitude der am Au-,-'.■ar.e des Tors 17 erscheinenden Halbwellen hängt vom Betrau der Verschiebung des Bauteils 14 au.·. -'^ der ^oll-T.age ab.

Dom Tor 17 ist ein Integrator 19 n^chgeschaltet. der das Ausgangssignal des Tors 17 integriert, so daß sich ein denioduliertes Gleichsignal ergibt, dessen Betrag und Vorzeichen jederzeit jeweils dem Betrag =5 und der Richtung der Verschiebung des Bauteils 14 aus der Soll-Lage entspricht. An einen Ausgangsanschluß 20 kann ein Aufzeichnungsgerät, eine Anzeiiiev orriehtunti oder ein Regler zum Regeln der Lage des Bauteils 14 angeschlossen sein. .iⁿ

Das Ausgangssignal des Verstärkers 16 besteht aus einem Träger, der durch das Signal« nach F i g. 2 moduliert ist. Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, steigt dieses Signal zu beiden Seiten der Soll-Lage bis auf einen Maximaiwert an, um dann auf null zurückzu- .!5 kehren, wenn das Bauteil 14 den Betriebsbereich des Umformers überschreitet. In ähnlicher Weise kehrt das Aü'^angssignal b des Demodulator-Integrators 19 außerhalb dieses Bereiches auf null zurück, so daß eine Anzeige oder Regelung nur innerhalb eines 4« vorbestimmten Betriebsbereiches erfolgen kann.

Der Umformer nach F i g. I enthält jedoch auch einen Annäherungsfühler 22 mit einem Verstärker 21. Das Eingangssignal des Verstärkers 21 wird von einer Induktivität oder Drosselspule 22 abgenommen. die an einem Potentiometer 41 zwischen den Sekundärwicklungen 11 und 12 liegt. Der durch die Spule 22 fließende Strom und mithin die an der Spule abfallende Spannung hängt vom Gesamtstrom ab, der durch die Sekundärwicklungen 11 und 12 fließt. Dieser ist wiederum vom Gesamtvviderstand ties Tastkopfes 13 abhängig. Dieser Widerstand erreicht ein Maximum, wenn das Bauteil 14 die Soll-Lage erreicht.

Das Ausgangssignal c des Verstärkers 21 wird einem Schvvellwcrt-Diskriminator 23 zugeführt, dem außerdem über einen Anschluß 24 eine Bezugsspannung zugeführt wird. Der Diskriminator ist so ausgebildet, daß er nur dann ein Signal abgibt, wenn das ihm vom Verstärker 21 zugeführte Signal die als &o Schwellwert dienende Bezugsspannung, die über den Anschluß 24 zugeführt wird, überschreitet. Entsprechend der Auslegung ist dies dann der Fall, wenn das Bauteil 14 aus dei Soll-Lage in beiden Richtungen jeweils um 11,1125 mm verschoben ist, so daß der Gesamtbereich dieser Zone gleich 22,225 mm ist. Ein Tortreiber 25 wird vum Diskriminator 23 eingeschaltet und gibt immer dann das Signal d nach F i g. 2 ab, wenn sich das Bauteil 14 in dieser Annäherungszone befindet. Dieses Signal d wird /v.ei UND-Toren 26 und 27 zugeführt, die sich in einer Einheit 2K befinden.

Die F.Miheit 28 gibt an zwei Ausgangsanschlüssen 2'-) und 30 Signale ab, die die Ricluung anzeigen, in der das Bauteil !4 aus der Soll-Lage verschoben wird. Zu diesem .'.eck wird ein bistabiles Speicherglied 31, das zwei über kreuz verbundene NOR-Tore enthält, von den UND-Torcn 26 und 27 angesteuert. Wie bereits erwähnt, kommt das eine Eingangssignal jedes tier I'ND-Tore vom Tortreiber 25. Das andere F.ingangssimial des Tores 27 kommt von einem Νυ.ΙΪ-Fiihler 32, und das andere Eingangssignal des UND-Tores 26 kommt von einem Inverter 33 (auch NICHT-Glied genannt), der vom Null-Fühler 32 angesteuert wird.

Der Null-Fühler 32 liegt über einen Anschluß 34. der mit hide verbunden dargestellt ist. an einem Xull-Bezugssignal, und wenn -':h das Bauteil 14 im normalen Betriebsbereich des Umformers befindet, gibt tier Fühler ein Signal 1' nach F i g. 2 ab. das die eine Polarität aufweist, wenn das Baute!! 14 in der einen Richtung aus tier Soll-Lage verschoben ist, und das die entsiegeimesetzte Polarität aulweist, wenn das Bauteil 14 in der entgegengesetzten Richtung aus der Null-Luse verschoben ist.

Das UND-Tor 26 oder das UND-Tor 27 gibt jeweils ein Signal / bzw. c; {■-.. Fig. 2) ab, und /war in Abhängigkeit von der Richtung, in der das Bauteil 14 aus der Soll-Lage verschoben wird, und das bistabile Speicherglied 31 wird dementsprechend in einen seiner beiden Zustände gesteuert. Wenn das Speicherglied 31 einmal in den einen seiner Zustände gesetzt ist, behält es diesen Zustand bei. unabhängig davon, wie weit sich das Bauteil 14 aus der Soll-Lage in derselben Richtung weiter bewegt, so kann das Speieherglied selbst dann, wenn das Bauteil 14 sich aus der 22,225 mm breiten Annäherungszone, die durch den Diskriminator 23 vorgegeben ist, hinausbewegt, die Richtung weiterhin anzeigt, in der das Bauteil 14 bewegt werden muß, um es wieder in den Betriebsbereich zurückzubringen. Das Speieherglied 31 benötigt einen Betriebszyklus, wenn es zum ersten Ma! eingeschaltet wird, um zu gewährleisten, daß es das richtige Ausgangssignal abgibt.

Neben den vom Speieherglied 31 jeweils an den Anschlüssen 30 und 29 abgegebenen Signalen/; und/ und den die Verschiebung anzeigenden Signalen am Ausgangsanschluß 20 erzeugt der Umformer nach ⁿ i g. 1 Null-Signale, wenn sich das Werkzeug innerhalb vorbestimmter, enger Grenzen der Soll-Lage befindet. Um dies zu erreichen, wird das Ausgangssignal des Integrators 19 außerdem tvvei Fühlern 35 und 36 zugeführt. Dem Fühler 35 wird eine negative Bezugsspannung über einen Anschluß 37 und dem Fühler 36 eine positive Bezugsspannung über einen Anschluß 38 zugeführt.

Das Ausgangssignal A' des Fühlers 35 ist normalerweise positiv und wird nur dann auf einen negativen Wert umgeschaltet, wenn das seinem Eingang vom Integrator 19 zugeführte Signal negativ und größer als die negative, Bezugsspannung ist. Das Ausgangssignal ζ des Fühlers 36 ist normalerweise positiv und wird nur dann auf einen negativen Wert umgeschaltet, wenn das Ausgangssignal des Integrators positiv und größer als die positive Bezugsspannung ist.

Wenn daher das Ausgangssignal des Integrators 19

zwischen der positiven und der negativen Bezugsspannung liegt, sind die Ausgangssignale beider Fühler positiv. Wenn das Ausgangssignal des Integrators außerhalb dieses Bereiches liegt, gibt der eine der beiden Fühler 35 und 36 ein negatives Signal ab. Die Ausgangssignale der Fühler 35 und 36 werden einem UND-Tor 39 zusammen mit dem Ausgangssignal des Tortreibers 25 zugeführt. Damit also am Ausgang 40 des Tores 39 ein Null-Signal in erscheint, muß sich das Bauteil 14 in der 22,225 mm breiten Annäherungszone befinden, die durch das Ausgangssignal des Tortreibers 25 begrenzt wird, und es muß sich außerdem in der Null-Zone befinden, so daß das Ausgangssignal des Integrators 19 zwischen der negativen und der positiven Bezugsspannung liegt, die jeweils den Fühlern 35 und 36 zugeführt werden.

Die Breite der Null-Zone läßt sich dadurch ändern, daß die Beträge der den Fühlern 35 und 36 zugeführtcn Bezugsspannungen geändert werden, und in einem Beispiel ist sie in Stufen veränderbar ausgebildet, die eine Null-Zonenbreite von ± 0,025 mm, ± 0,0635 mm, ± 0,127 mm und ± 0,1905 mm darstellen.

Die Stelle der Soll-Lage des Bauteils 14, in der das Ausgangssignal des Integrators 19 null ist, ist ebenfalls mit Hilfe des Potentiometers 41 veränderbar, das zwischen den Wicklungen 11 und 12 liegt. Der Schleifer des Potentiometers 41 ist mit einem Erdanschluß 42 verbunden, der seinerseits mit dem einen Eingang des Verstärkers 16 verbunden ist. Wenn sich daher der Schleifer des Potentiometers 41 in seiner mittleren Stellung befindet, wird kein Bruchteil der am Potentiometer abfallenden Spannung an den Verstärker 16 gelegt. Wenn der Schleifer dagegen in der einen oder anderen Richtung aus der Null-Lage verschoben wird, dann wird ein Bruchteil der Schwingung, die an der Spule 22 auftritt, mit einer Phasenlage, die von der Richtung der Verschiebung abhängt, an den Verstärker 16 gelegt. Die Soll-Lage des Bauteils 14, in der das Ausgangssignal des Integators 19 null ist, wird dadurch diejenige Lage, in der das Ausgangssignal des Tastkopfes der vom Potentiometer 41 an den Verstärker 16 gelegten Schwingung genau entgegenwirkt und diese aufhebt, bestimmt.

Ein Ausgangssignal des Tortreibers 25 wird in einem Inverter 43 invertiert und einem Ausgangsanschluß 44 zugeführt.

Die Ausgangssignale des Integrators 19 am Anschluß 20, des Tors 39 am Anschluß 40, des Inverters 43 am Anschluß 44 und des Speichergliedes 31 an den Anschlüssen 29 und 30 können daher zum Anzeigen, Aufzeichnen und Regeln der Lage des Bauteils 14 relativ zur Soll-Lage verwendet werden.
Das Bauteil 14 besteht aus einem Weicheisenkern und ist normalerweise auf einem Werkzeug oder Werkstück, das in die Soll-Lage gebracht werden soll, angeordnet oder an diesem befestigt.

Der Umformer nach F i g. 1 kann derart abgewandelt sein, daß er selbsttätig den Einfluß von Änclerungen des Spaltes zwischen dem Tastkopf 13 und dem Bauteil 14 kompensiert. Ein nicht dargestellter Rückkopplungs- oder Rückführkreis bewirkt eine Spitzengleichrichtung des Ausgangssignals des Verstärkers 21, überlagert dem gleichgerichteten Signal ein Bezugssignal und verwendet die resultierende Summe zur Regelung des Stroms, der aus einer Spannungsquelle an den Oszillator 10 geliefert wird. Eine Änderung des Speisestroms bewirkt eine entsprechende Änderung der Amplitude des Oszillator-Ausgangssignals, derart, daß Änderungen des Spaltes kompensiert werden, d. h. eine Vergrößerung der Spaltbreite bewirkt eine Vergrößerung der Amplitude und eine Abnahme der Spaltbreite eine Verringerung der Amplitude.

An Hand von F i g. 3 wird jetzt der Aufbau des T: stkopfes 13 beschrieben. Die beiden Wicklungen sind auf Wickelkörper 50 gewickelt und in einem Gehäuse 51 angeordnet. Das Gehäuse besteht aus rostfreiem Stahl und enthält zwei Bohrungen 52 zur Aufnahme der Wicklungen bzw. Spulen und zwei Bohrungen 53 zur Aufnahme von Befestigungsbauteilen, z. B. Schrauben. Die Spulen 50 werden derart in die Bohrungen 52 hineingesteckt, daß die SpuJcnleitungcn 54 durch (nicht dargestellte) Kanäle verlaufen, die von den inneren Enden der Bohrungen 52 zu einem Loch 55 in der Seite des Gehäuses führen. Bevor die Spulen 50 in die Bohrungen 52 gesteckt werden, wird am Boden ihrer Umfangsoberflächc ein klebendes Füllmittel aufgebracht, und zwar vorzugsweise ein Epoxydharz. Die oberen Seiten der Spulcnformkörper 50 liegen dann unmittelbar unter der Oberfläche des Gehäuses 51. Die Oberseiten der Spulen werden mit mehr Harz bedeckt, und zwar soweit, bis die Oberfläche des Harzes mit der Oberfläche des Gehäuses bündig ist, und wenn das Heu ausgehärtet ist, wird die obere Oberfläche des Gehäuses eng toleriert so weit abgeschliffen, daß sie genau einen vorherbestimmten Abstand von der Oberflächen der Spulen aufweist. Auf diese Weise läßt sich eine hohe Genauigkeit bei einem verhältnis mäßig billigen Aufbau erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

3663

Claims

Patentansprüche:

1. Induktiver Meßumformer zur Umformung einer mechanischen Verschiebung in eine elektri- ö sclu Größe mit einem gegenüber einem Tastkopf relativ verschiebliehen ferromagnetische!! Bauteil, bei dem der Tastkopf in einer Wechselstrommeßbrückenschaltung angeordnet ist und über die Brückensclialtung mit einer Gleichrichterstufe verbunden ist, an deren Ausgang ein Gleichspannungssignal nach Betrag und Vorzeichen die Abweichung des Bauteiles von der Null-Lage anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß ar die Brückensclialtung außerdem ein Schwellwertdiskriminator (23) mit einem Bezugsspannun^.· eingang (24) angeschlossen ist, der Steuerglieder (26, 27) und ein bistabiles Speichergliec! 31 mit Ausgängen (29, 30) speist, während jeweils die oberen Fhgünge der Steuerglieder (26, 27) entweder unmittelbar bzw. über ein Umkehralied (33) mit einem Nulli'ühler (32) verbunden sind, dessen Eingang an der Gleichrichterstui'e (19) liegt.

2. Meßumformer nach Anspruch 1. dadurch 2; gekennzeichnet, daß die Z'v Liehen der Brückonschaltung und dem bistabilen Speicherglied (31) liegende Schaltung ein weiteres Signal (il) abgibt, das anzeigt, ob sich das verschiebliche Bauteil innerhalb e^;ner Annäherungszone zur Sollage befindet.

3. Meßumformer nach Anspruch 2, dadurch !.■-'kennzeichnet, daß das Anzeigesignal dem bistabilen Speicheiglied (31) nimer dann zugeführt wird, wenn sich das verschiebliche Bauteil (14) innerhalb der Annäherungszone befindet.

4. Meßumformer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückensclialtung Einstellmittel (41) zum Ändern des Abgleichpunktes der Brücke enthält.

5. Meßumformer nach einem oder mehicren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Signal (el) die Amplitude des Anzeigesignals steuert, um Änderungen der Spaltbreite zwischen dem Tastkopf (13) und dem verschieblichen Bauteil (14) zu kompensieren.

6. Meßumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Signal (d) die Amplitude eines dem Tastkopi (13) zugei'ührten Oszillatorausgangssignals steuert.

7. Meßumformer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf (13) zwei Spulen (50) in einem Gehäuse (51) enthält, daß die obere Oberfläche der Spulen unter der oberen Oberfläche des Gehäuses liegt und der Raum darüber mit einer nichtmetallischen Schicht aus Epoxydharz gefüllt ist, und daß die ob^re Oberfläche des Gehäuses einen vorbestimmten Abstand zu den Spulen aufweist.