-
Meßvorrichtungen der genannten Gattung haben sich vom Prinzip her
als sehr vorteilhaft erwiesen und werden beispielsweise bei Werkzeugmaschinen verwendet.
Für den praktischen Einsatz solcher Meßvorrichtungen werden bezüglich der Ausführung
und der Anbringung ihrer Teile zahlreiche Forderungen gestellt, deren Erfüllung
vielfach Schwierigkeiten be-
-
reitet. Beim Zusammensetzen eines längeren Maßstabes aus einzelnen
Teilstücken müssen diese sehr sorgfältig und genau justiert werden. Um den Läufer
mit Bezug auf den Maßstab einwandfrei zu führen und dabei den Abstand zwischen den
beiden Teilen möglichst klein zu halten, ist ein Wagen erforderlich, der auf Führungsbahnen
am Träger des Maßstabes läuft. Die aneinander vorbeibewegten Flächen von Maßstab
und Läufer sind sehr empfindlich und müssen gegen Beschädigungen geschützt werden.
Ein diesem Zweck dienendes Gehäuse vergrößert die äußeren Abmessungen der Vorrichtung.
Ein bei Vorhandensein eines Laufwagens unvermeidlicher Schlitz macht besondere Abdichtmaßnahmen
erforderlich.
-
Ein grundsätzliches Problem bildet bei der Herstellung der Meßvorrichtung
die genaue Anbringung der die Ausbildung der Pole bestimmenden Leiterbahnen auf
dem Maßstab und dem Läufer.
-
Es ist weiterhin ein zu einer anderen Gauunggehörender elektromagnetischer
Wandler zur Messung von Verschiebungen bekannt, der aus einer Reihe wechselstromführender
Leiter und einer Reihe von Abnahmeleitern besteht. Diese sind jeweils in Serie geschaltet
und derart gegeneinander verschiebbar, daß die in den Abnahmeleitern induzierte
Stromstärke von deren Stellung hinsichtlich der stromführenden Leiter abhängt und
ein Maximum erreicht, wenn die Abnahmeleiter den stromführenden Leitern unmittelbar
gegenüberstehen. Bei einer besonderen Ausführung eines solchen Wandlers sind die
stromführenden Leiter und die Abnahmeleiter als schraubenförmige Primär- und Sekundärwicklungen
gleicher Steigung ausgebildet, die auf zwei koaxial angeordneten zylindrischen Gliedern
angeordnet sind (deutsche Auslegeschrift 1 163 563). Mindestens eine der Wicklungen
kann dabei eine als doppelgängige Schraube gewickelte Leiterschleife sein, so daß
die Stromrichtung der Windungen längs der Achse abwechselt. Diese Vorrichtung weist
keine um eine halbe Polteilung zueinander versetzte Läuferwicklungen auf.
-
Auch bei Vorrichtungen der letztgenannten Art ist die Genauigkeit
ebenso wie bei den weiter oben erläuterten Vorrichtungen der eingangs genannten
Gattung von der Genauigkeit der Anordnung der verschiedenen Leiter abhängig, also
von deren Anbringung auf dem zugehörigen Träger. Der Träger der Wicklung ist in
jedem Falle ein Isolierkörper.
-
Alle Bestrebungen, bei solchen Vorrichtungen die Genauigkeit zu erhöhen,
zielen auf eine Erhöhung der Genauigkeit der Lage der Leiter auf dem Isolierkörper
ab, was in der Praxis jedoch große Schwierigkeiten mit sich bringt. Auch wenn der
die Wicklung bildende Draht von Rillen im Träger aufgenommen werden soll, kommt
es einerseits darauf an, mit welcher Genauigkeit solche Rillen in dem schwierig
zu bearbeitenden Isolierwerkstoff herstellbar sind, und andererseits, welche Lage
der Draht in den Rillen dann tatsächlich einnimmt. Dies bringt daher erhebliche
Unsicherheitsfaktoren mit sich.
-
Ziel der Erfindung ist es, bestehende Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten
zu überwinden und eine vorteilhafte Meßvorrichtung der eingangs ge-Erfordernissen
im Hinblick auf die Herstellung und nannten Gattung zu scnaffen, die den praktischen
den Betrieb in besonderem Maße Rechnung trägt, die sich bei einfachem Aufbau durch
hohe Genauigkeit und Robustheit auszeichnet, ohne Schwierig-
keiten justierbar ist
und sich für Einsatzfälle verschiedener Art eignet.
-
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die gekennzeichnet
ist durch die Kombination folgender Merkmale: a) der Maßstabskörper ist, wie an
sich bekannt, stab- oder rohrförmig ausgebildet, und seine Wicklung hat die Form
einer mindestens zweigängigen Wendel; b) jede der beiden Läuferwicklungen ist, wie
bei einer Wicklung an sich bekannt, als mindestens zweigängige Wendel ausgebildet;
c) der Maßstabskörper und der Läuferkörper bestehen aus magnetisch permeablem Material
(weichem Eisenwerkstoff); d) die Maßstabswicklung und die Läuferwicklungen sind
in schraubenförmig verlaufenden Nuten des Maßstabskörpers bzw. des Läuferkörpers
angeordnet; e) die Pole sind durch die zwischen den Nuten vorhandenen, schraubenförmig
verlaufenden Teile des Maßstabskörpers bzw. des Läuferkörpers gebildet und durch
deren geometrische Form bestimmt.
-
Eine solche Meßvorrichtung genügt hinsichtlich der Zuverlässigkeit
und Exaktheit des Meßergebnisses sehr hohen Anforderungen. Im Gegensatz zu den bekannten
Vorrichtungen ist für die Genauigkeit des Maßstabes nun nicht mehr ein bestimmter
kalibrierter Zustand der einzelnen stromführenden Leiter und ihre räumlich genaue
Fixierung auf dem Träger maßgebend, sondern nur noch die Ausbildung der magnetischen
Polflächen, also die Lage der Polflächen-Mitten und die Gleichheit der Polbreiten.
-
Solche Polflächen lassen sich mit hoher Geschwindigkeit und exakter
Lage ihrer Kanten mit herkömmlichen Bearbeitungsoperationen ohne Schwierigkeit herstellen.
Insbesondere kann dies durch Einschneiden eines zweigängigen Gewindes in den Träger
geschehen. Ohne Einfluß ist ferner die Form oder die Gleichmäßigkeit der tieferliegenden
Teile der Nuten.
-
Auch bei der Einbringung der Wicklung sind besondere Genauigkeitsmaßnahmen
nicht mehr erforderlich. Unabhängig davon, ob die Wicklung durch einen Einzeldraht
oder eine Lage bzw. ein Bündel aus mehreren Drähten gebildet wird, kann sie zweckmäßig
in der Nut mittels eines geeigneten Materials, beispielsweise eines Klebers, eingebettet
werden. Die Nuten können nach dem Einlegen der Drähte ausgegossen werden.
-
Die Erfindung ermöglicht es außerdem, die Polflächen des Maßstabs
und des Läufers mit nur sehr geringem Luftspalt im Verhältnis zur Breite der Polflächen
einander gegenüberzustellen, wodurch auch für die Lage der Nulldurchgänge eine hohe
Genauigkeit erreicht wird.
-
Der Läuferkörper erhält zweckmäßig die Form einer den Maßstab umgebenden
Hülse. Deren Halterung und Führung relativ zum Maßstab bereitet keine Schwierigkeiten.
Falls erforderlich, kann der Maßstab beiderseits der Hülse durch einen Faltenbalg
oder ein Teleskoprohr abgedeckt sein, wodurch sich ohne Beeinträchtigung der Bewegungsmöglichkeit
der Hülse ein einwandfreier Schutz des Maßstabes ergibt.
-
Eine sehr vorteilhafte Ausführung besteht darin, daß der Läufer unmittelbar
auf dem Maßstab gleitet.
-
Dies läßt sich bei Verwendung einer Hülse als Läufer
besonders
einfach erreichen, zumal konzentrische Teile wie eine Hülse und ein Rundstab leicht
mit hoher Genauigkeit herstellbar sind. Die dem Maßstab zugewandte Fläche des Läufers,
so namentlich die Innenfläche einer Hülse, kann dabei die Gleitfläche bilden. Es
lassen sich aber auch an den Enden des Läufers Lagerstücke mit entsprechend günstigen
Gleiteigenschaften vorsehen, welche den Läufer auf dem Maßstab führen. Der die Wicklungen
tragende, sich zwischen diesen Lagerstücken erstreckende Teil des Läufers kann dabei
auch einen geringen Abstand von der Oberfläche des Maßstabes aufweisen. Da keine
nennenswerten Belastungen auftreten, hat die Gleitlagerung des Läufers auf dem Maßstab
eine hohe Lebensdauer und kann wartungsfrei gehalten werden. Sie ist unempfindlich
gegen Erschütterungen und läßt ohne weiteres auch hohe Relativgeschwindigkeiten
von Läufer und Maßstab zu, wie sie z. B.
-
bei Eilgangbewegungen an Werkzeugmaschinen auftreten.
-
Die Anzahl der Windungen der Läuferwicklungen kann zwecks Mittelwertbildung
zum Ausgleich eventueller Polteilungsfehler groß gewählt werden und hängt im übrigen
von den Gegebenheiten des Einzelfalles ab.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich aus den angefügten Ansprüchen und aus der nachfolgenden
Erläuterung einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele der Meßvorrichtung.
-
Es zeigt Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung eine
Maßstabswicklung in Form einer zweigängigen Wendel, Fig. 2 schematisch die Anordnung
der als zweigängige Wendel ausgebildeten Wicklungen von Maßstab und Läufer, Fig.
3 einen die Lage der Wicklungen bei einer Ausführung von Maßstab und Läufer veranschaulichenden
axialen Längsschnitt, Fig. 4 eine an einer Maschine oder einem Gerät angebrachte
Meßvorrichtung in perspektivischer Darstellung, Fig. 5 eine weitere Ausführung der
Meßvorrichtung in Draufsicht, F i g. 6 eine Teildraufsicht einer abgewandelten Ausführung
der Meßvorrichtung, F i g. 7 eine Ausführung von Maßstab und Läufer in axialem Längsschnitt,
F i g. 8 eine weitere Ausführung von Maßstab und Läufer in axialem Längsschnitt
und F i g. 9 eine Ausführungsform einer Maßstabslagerung.
-
F i g. 1 läßt eine als zweigängige schraubenförmige Wendel 1 ausgebildete
Wicklung erkennen, die einem zylindrischen Maßstabskörper 2 zugeordnet ist.
-
Die Pfeilspitzen an den Windungen geben dabei die in einem bestimmten
Augenblick gegebene Richtung des in der Wendel fließenden Wechsel stromes an, der
je nach der Betriebsweise der Meßvorrichtung in die Wicklung eingespeist oder aus
derselben abgenommen wird. Es entsteht somit durch die zweigängige Wendel längs
des Maßstabes eine Folge von Polen abwechselnder Polarität oder Qualität.
-
In F i g. 2 ist die prinzipielle Anordnung von Maßstabs- und Läuferwicklungen
gezeigt, wobei die zweigängige Wendel der Maßstabswicklung wiederum mit der Ziffer
1 und die beiden zweigängigen Wendel der
Läuferwicklungen mit den Ziffern 3 und 4
bezeichnet sind. Die die Wicklungen tragenden Körper des Maßstabes 2 und des Läufers
5 sind mit strichpunktierten Linien angedeutet. Sämtliche Wicklungen 1, 3 und 4
haben die gleiche Polteilung t. Die Läuferwicklung 4 ist gegenüber der Läuferwicklung
3 um den Betrag einer halben Polteilung t/2 versetzt, was elektrisch einer Phasenverschiebung
von 90 entspricht.
-
Für die Ausführung der Wendel-Wicklungen bestehen mehrere Möglichkeiten.
Eine derselben ist in Fig. 3 gezeigt. Hierbei weist sowohl der Maßstabskörper 2
als auch eine den Läuferkörper bildende Hülse 5 schraubenförmig verlaufende Nuten
6, 7 auf, die jeweils ein zweigängiges Gewinde bilden. In die Gewindenuten 6, 7,
die bei diesem Ausführungsbeispiel quadratischen Querschnitt haben, sind Drähte
8 eingelegt, welche die Wicklungen 1, 3 und 4 bilden.
-
Die Stromrichtung zu einem gegebenen Augenblick ist dabei in den Querschnittsflächen
der Drähte jeweils mit einem Kreuz (aus der Zeichenebene heraustretend) und mit
einem Punkt (in die Zeichenebene hineingehend) angedeutet. Entsprechende Symbole
sind auch in F i g. 2 eingezeichnet. F i g. 3 zeigt ebenso wie Fig. 2, daß die Wicklungen
3, 4 des Läufers 5 um den Betrag t/2, d. h. um eine halbe Polteilung t, in axialer
Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. Dies kann z. B. durch eine geteilte
Ausbildung der Hülse 5 leicht erreicht werden.
-
F i g. 4 veranschaulicht eine Ausführung der Meßvorrichtung an einer
Maschine oder an einem Gerät, bei der die in Richtung des Pfeiles F verlaufende
lineare Bewegung bzw. die Position eines Tisches oder Schlittensll relativ zu einem
mit Führungen 13 für den Schlitten versehenen Gestell 12 gemessen werden soll. In
zwei am Gestell 12 angebrachten Böcken 14 ist der Maßstab 2 der Vorrichtung so gehalten,
daß er während des Meßvorganges seine Lage nicht ändert. Er ist mit einer zweigängigen
Wendel-Wicklung der in den Fig. 1 bis 3 wiedergegebenen Art versehen, die der Übersichtlichkeit
halber in F i g. 4 nicht besonders dargestellt ist.
-
Der Läufer der Meßvorrichtung ist eine den Maßstab 2 umgebende Hülse
5, die in ihrem Inneren zwei zueinander versetzte Wendel-Wicklungen der ebenfalls
in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Art trägt. Die Hülse 5 kann auf dem Maßstab 2 gleiten
und ist an einer Stelle ihres Außenumfanges durch einen Stift, einen Kugelbolzen
oder ein anderes geeignetes Halteelement mit einer verwindungssteifen Blattfeder
15 verbunden, die am Schlitten 11 befestigt ist. Durch diese Halterung ergibt sich
eine spielfreie Mitnahme des Läufers 5 in der Schlittenbewegungsrichtung F.
-
Die Anordnung ist dabei unempfindlich gegenüber Verlagerungen des
Schlittens 11 in Richtung lotrecht zu seiner Führung, wie sie bei außergewöhnlicher
Belastung oder Entlastung des Schlittens vorkommen können. Bei der Anbringung des
Maßstabes 2 am Gestell 12 sind keine extremen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen.
Der Maßstab kann unter Einhaltung normaler Fertigungstoleranzen bezüglich der VerschieberichtungF
angebaut werden.
-
Wird dann der Schlitten 11 in seine Ausgangsposition gebracht, der
eine Nullstellung der Meßvorrichtung entsprechen soll, so braucht keine Verschiebung
des Maßstabes in axialer Richtung vorgenommen zu werden, sondern es kann in sehr
einfacher Weise durch Drehen des Maßstabes in seiner Halterung im
Sinne
des Pfeiles C ein elektrischer Nullabgleich erreicht werden, worauf dann der Maßstab
in dieser eingestellten Lage festgesetzt wird. Die Tatsache, daß eine Justierung
der Vorrichtung in Meßrichtung bzw.
-
eine Anderung des Lagemeßwertes durch Drehen von Maßstab und Hülse
relativ zueinander möglich ist, beruht auf dem Vorhandensein von schraubenförmig
verlaufenden Wicklungen im Maßstab und in der Hülse und stellt ein besonders vorteilhaftes
Merkmal dar. Es lassen sich dadurch nicht allein Justiervorgänge sehr einfach durchführen,
sondern eine Meßwertänderung durch Relativdrehung von Maßstab und Läufer kann auch
zu anderen Zwecken ausgenutzt werden, wie noch erläutert wird.
-
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführung ist die Blattfeder 15 in Richtung
ihrer Ebene starr. Wird der Maßstab 2 nun so angebracht, daß seine Längsachse nicht
parallel zur Schlittenführung 13 verläuft, sondern in einem geringen Winkel gegenüber
dieser steht, so führt dies dazu, daß im Verlauf der Schlittenbewegung der Hülse
5 durch die Blattfeder 15 eine kleine Drehung im Sinne des Pfeiles erteilt wird,
was nach dem vorstehend Gesagten eine Meßwertänderung ergibt. Auf diese Weise ist
es z. B.
-
möglich, einen Summensteigungsfehier bei der die Wicklung bildenden
Wendel auszugleichen. Die Halterung für den Maßstab kann für solche oder andere
Fälle mit einer entsprechenden Einstellmöglichkeit in Richtung B ausgestattet'sein.
-
In F i g. 5 ist die Meßvorrichtung im Prinzip ebenso angeordnet wie
in Fig. 4. Der Unterschied besteht darin, daß eine Verlängerung des in seinen Halterungen
14 drehbar, aber axial unverschiebbar gelagerten Maßstabes 2 mit einem Drehantrieb
16, beispielsweise einem Schrittmotor, verbunden ist, so daß dadurch dem Maßstab
zu wählbaren Zeitpunkten eine gewünschte und gegebenenfalls in ihrer Größe vorgebbare
Drehung erteilt werden kann, wie es außer zu Einstellzwecken z. B. auch für bestimmte
Steuerungsaufgaben zweckmäßig sein kann. Es ist dadurch in einfacher Weise eine
beliebige Nullverschiebung der Meßvorrichtung möglich.
-
Bei der Ausführung nach Fig. 6 ist auf einem über die Halterung 14
axial hinausragenden Ansatz des Maßstabes 2 ein Ritzel 17 befestigt, das in eine
Zahnstange 18 eingreift. Diese sitzt an einem in Richtung des Pfeiles G verstellbaren
Maschinenteil 19. Die übrige Ausführung der Meßvorrichtung kann derjenigen nach
F i g. 5 entsprechen. Dies veranschaulicht die Möglichkeit, die Wegmaße zweier beweglicher
Teile, hier der Schlitten 11 und 19, addieren bzw. subtrahieren zu können. Dabei
verschiebt der eine Schlitten den Läufer, während der andere Schlitten den Maßstab
dreht. Natürlich ist es auch möglich, den Maßstab mit einem sich drehenden Maschinenteil
bzw. mit einem Drehantrieb für einen verschiebbaren Teil unmittelbar oder über ein
Getriebe zu kuppeln.
-
In F i g. 9 ist eine Ausführung veranschaulicht, die eine besonders
feinfühlige Maßstabverstellung ermöglicht, wie sie beispielsweise zum Justieren
der Vorrichtung, zur Nullpunktverschiebung oder zu anderen Zwecken von Vorteil sein
kann. Der die Wicklung 1 tragende Maßstab 2 weist einen mit Gewinde 21 versehenen
Ansatz 22 auf. Das Gewinde 21 steht im Eingriff mit einem entsprechenden Muttergewinde
einer Büchse 23, die in einem ortsfesten Lagerbock 24 sitzt. Am Ende des Ansatzes
22 be-
findet sich ein Handrad 25 oder ein den Maßstab mit einem Drehantrieb verbindender
Kupplungsteil. Die Steigung des Gewindes 21 ist um einen geringen Prozentsatz, z.
B. um 10 O/o, kleiner als die Steigung der Wicklung 1. Außerdem ist das Gewinde
21 entgegengesetzt zu dem von der Wicklung 1 verkörperten Gewinde gerichtet. Hierdurch
wird eine kleine Meßwertänderung bzw. Nullpunktverschiebung bei verhältnismäßig
großem Drehwinkel des Maßstabes erreicht. Nach einer solchen Einstellung kann der
Maßstab durch geeignete, nicht besonders dargestellte Mittel, z. B. durch eine Klemmvorrichtung,
in der eingestellten Lage gesichert werden.
-
Das Herbeiführen einer Nullpunktverschiebung bzw. Meßwertänderung
durch Maßstabsdrehung gestattet im übrigen auch eine leichte und genaue Justierung
von einzelnen Maßstabsteilen relativ zueinander, wenn es erforderlich ist, einen
Maßstab aus zwei oder mehr Teilen zusammenzusetzen. Es läßt sich auch für die Verbindung
solcher Maßstabsteile ein Gewinde vorsehen.
-
Das Prinzip der Einstellung durch Drehung wird vorteilhaft auch beim
Läufer angewendet, um die beiden Wicklungen desselben genau in den richtigen Abstand
voneinander zu bringen. Zwei Beispiele hierfür zeigen die Fig. 7 und 8 bei einem
hülsenförmigen Läufer 35 bzw. 45.
-
Bei der Ausführung nach Fig. 7 sind zwei Hülsenteile 35 a und 35
b vorhanden, die mit stirnseitigen Planflächen aneinanderliegen und von denen jeder
eine Wicklung 3 bzw. 4 aufweist. Beide Hülsenteile35a, 35b werden außen von einer
Büchse 36 übergriffen, die an einem Ende eine Schulter 36 a als Anlage für den Hülsenteil
35 a aufweist und an dem anderen Ende mit einer aufgeschraubten Überwurfmutter 37
versehen ist, die an der äußeren Stirnseite des Hülsenteiles 35 b anliegt. Der Hülsenteil
35 a ist mittels einer in eine Nut der Büchse 36 eingreifenden Paßfeder 38 gegen
Drehung in der Büchse 36 gesichert. Der andere Hülsenteil 35 b ist mit einem Ansatz39
versehen, der einen Hand- oder Schlüsselangriff bildet. Er läßt sich dadurch bei
leicht gelöster Überwurfmutter 37 in der Büchse 36 relativ zu dem anderen Hülsenteil
35 a drehen und so einstellen, daß genau die richtige Lage der beiden Wicklungen
3 und 4 relativ zueinander erzielt wird. Diese Lage wird sodann durch Anziehen der
tJberwurfmutter 37 gesichert, wobei die beiden Hülsenteile 35 a und 35 b in axialer
Richtung fest gegeneinandergepreßt werden. An der Büchse 36 greift eine den jeweiligen
Gegebenheiten angepaßte Halterung als Verbindung mit demjenigen Teil an, dessen
Lage gemessen werden soll. Der Maßstab 2 hat hier die Form eines zylindrischen Stabes,
wobei die Wicklung 1 schematisch angedeutet ist.
-
Fig. 8 zeigt, daß der die Wicklung 1 tragende Maßstab z. B. auch
ein Rohr 2' sein kann. Die Läufer-Wicklungen 3 und 4 befinden sich bei dieser Ausführung
wiederum an zwei Hülsenteilen 45 a und 45 b, die hier über ein Gewinde 44 miteinander
verbunden sind, welches die Einstellung auf den erforderlichen Abstand ermöglicht.
Stirnseitige Bohrungen 43 an dem Hülsenteil 45 b können dabei dem Angriff eines
Schlüssels od. dgl. dienen. Beide Hülsenteile 45 a, 45b sind auch hier von einer
Büchse 46 umschlossen, deren Deckel 47 z. B. durch einzelne Schrauben (strichpunktierte
Linien 48) festgezogen werden kann, um die beiden Hülsenteile 45 a,
45
b in ihrer Sollage axial miteinander zu verspannen und dadurch zu sichern.
-
Der gesamte hülsenförmige Läufer 45 ist in einer Halterung 42 so
angeordnet, daß er bei gelösten Schrauben (strichpunktierte Linien 41) eines Spannflansches
40 in dieser Halterung 42 gedreht werden kann, wodurch sich eine Justierung oder
Nullpunktverschiebung erreichen läßt, wenn nicht zu diesem Zweck eine Drehung des
Maßstabes erfolgen soll.
-
Es ist auch möglich, den Läufer in einer Halterung
so zu lagern, daß
ihm zu wählbaren Zeitpunkten mittels eines Antriebs oder einer eines Führungslineals
eine mehr oder weniger große Drehung erteilt werden kann.
-
F i g. 8 veranschaulicht zugleich auch die Verwendung von Lagerstücken
49, die in der Büchse 46 und in deren Deckel 47 vorgesehen sind und aus einem für
die Gleitbewegung des Läufers 45 auf dem Maßstab 2' besonders geeigneten Material,
z. B.
-
einem Kunststoff, bestehen.