DE2423230C3 - Analog-inkrementale Meßvorrichtung zum Messen von Wegen - Google Patents

Description

keltsind. ,

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß iinpulsmäßig mit Spannung beaufschlagt wird.

Die Erfindung betrifft eine analog-inkrernentale Meßvorrichtung von der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Im Maschinenbau, bei Meßmaschinen und bei Werkzeugmaschinen ist es erwünscht, auf Längen zwischen 0,2 und 1 m Strecken von 1 μίτι und weniger genau zu messen. Zu solchen Messungen sind optische Meßeinrichtungen mit manueller Bedienung bekannt, DifferentialtransformatormeÖeinrichtungen und optisch-elektronische Meßeinrichtungen. Nur mit den optischen Meßeinrichtungen kommt man auf Messungen bis etwa an 1 μπι heran. Die Genauigkeit liegt etwa im gleichen Bereich wie diese Auflösung. Mit den Differentialtransformatormeßeinrichtungen und den optisch-elektronischen Meßeinrichtungen erreicht man Auflösungen bis an 5 μπι heran. Die Genauigkeit kann gleiche Werte erreichen. Bei den Differentialtransformatormeßeinrichtungen liegt sie jedoch niedriger.

Eine bekannte Meßvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Gattung enthält einen Eisenkern. Für die Funktion der bekannten Meßvorrichtung ist er wesentlich. Er bündelt und richtet das Magnetfeld. Ohne Eisenkern wäre der magnetische Leitwert der Meßvorrichtung und damit deren Empfindlichkeit niedriger. Ohne den Eisenkern würde das Magnetfeld weiter ausschließlich durch Luft verlaufen. Seine Form wäre dann nicht mehr so eindeutig und genau wie bei Ausrichtung mit und Bündelung durch einen Eisenkern. Ein Eisenkern hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß er Verluste und damit doch wieder Ungenauigkeiten bringt. Die bekannte Meßvor-, richtung enthält bifilare oder zweigängig gewickelte Spulen. Das bifilare Wickeln der Spulen bringt einen entscheidenen Vorteil. Bei bifilaren Spulen verlaufen die Feldlinien auf einem größeren Teil ihres Weges senkrecht zur Spulenachse. Bei elektrisch miteinander ,o gekoppelten Spulen bedeutet dies, daß sich auch schon geringe Verschiebungen der einen Spule gegenüber der anderen in der Form des Feldes bemerkbar machen und damit zu Phasenverschiebungen führen. Eine Meßvorrichtung mit bifilaren Spulen hat daher eine weitaus linearere Auflösung. Eine bifilare Spule bringt jedoch auch Fehler. Dieser Fehler macht sich nicht oder kaum bemerkbar, wenn sich die beiden kürzeren Spulen in der Mitte der ortsfesten längeren Spule befinden. Der Fehler nimmt jedoch zu, wenn die beiden kürzeren ,o Spulen gegen die Enden der ortsfesten längeren Spule verschoben werden. Befinden sich die beiden den Läufer bildenden kürzeren Spulen nämlich an einem Ende der längeren Spule, erzeugen sie in dieser wegen des unterschiedlichen Abstandes der Windungen ihrer bifilaren Wicklungen zu den Windungen der ortsfesten Spule eine asymmetrische Spannung. Damit wird der Meßbereich der bekannten Vorrichtung eingeengt.

Hiervon ausgehend stellt sich für vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Meßvorrichtung ohne Eisen-ίο kern und mit bifilar gewickelten Spulen so auszubilden, ~ daß der erläuterte, den bifilaren Spulen eigentümliche Fehler ausgeglichen und damit hohe Meßgenauigkeit über einem weiten Bereich erhalten wird. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einer Meßvorrichtung der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen.

In diesen der längeren Spule vorgelagerten kürzeren Spule werden die gleichen asymmetrischen (Fehler)-Spannungen wie in der längeren Spule erzeugt. Durch die vorzeichenrichtige Zusammenschaltung der Spulen werden die asymmetrischen Spannungen in Betrag und Phase überlagert und heben sich auf. Der Anzeigefehler verschwindet.

Bei einer Verschiebung der beiden den Läufer bildenden Spulen tritt bei einer Verschiebung von je T eine Phasenverschiebung von je 360° gegenüber der eingespeisten Primärspannung auf. Das gleiche Ergebnis würde bei einer Drehung der Spulen um 360° eintreten, da jede Windung entsprechend der Teilung T schraubenförmig zur Längsachse liegt. Das heißt, daß man die Anzeige durch Drehen der Spulen beeinflussen kann. Diese Erscheinung wird gemäß der Erfindung zur Fehlerberichtigung ausgenutzt Die Meßvorrichtung hat über ihre Länge veränderliche Fehler, die sich durch Ungenauigkeiten beim Wickeln der Spulen u. dgl. ergeben. Die Fehler wirken sich in Abweichungen der P'ase vom Sollwert aus. Falls man der Fehlerspannung eine gleich große entgegengesetzte Spannung entgegenschaltet, wird der Fehler ausgeglichen. Um dies zu bewerkstelligen, sind die beiden den Läufer bildenden kürzeren Spulen in einer zweckmäßigen Ausgestaltung gegenüber der ortsfesten längeren Spule verdrehbar. Parallel zur Längsachse verläuft eine Führungsschiene, und die beiden kürzeren Spulen sind über eine Gabel gleitbai· mit der Führungsschiene verbunden, und die Führungsschiene weist nach Meßgabe von ermittelten Meßfehlern zu deren Berichtigung in Umfangsrichtung

Biegungen auf. Wenn man bei der Eichung der Meßvorrichtung an einer bestimmten Stelle eine Abweichung vom Sollwert feststellt, wird die Führungsschiene an dieser Stelle etwas ausgebogen. Damit werden die den Läufer bildenden Spulen Leim späteren Betrieb an dieser Stelle verdreht Die Stärke der Verdrehung hängt von der Größe der Ausbiegung ab. Hiervon hängt wieder die Phasenverschiebung der durch die Verdrehung zusätzlich induzierten Spannung ab. Diese Phasenverschiebung wirkt dem durch die mechanischen Fehler entstehenden Phasenfehler entgegen und neutralisiert diesen.

Die Meßgenauigkeit hängt von der Genauigkeit ab, mit der die Windungen der Spulen gewickelt sind. Beim Wickeln der Spulen läuft der Kupferdraht an einem Anschlag entlang und berührt diesen. Unter Anlage an diesem Anschlag wird er auf den Spulenkern aufgewikkelt. Ein Kupferdraht kann schwankenden Durchmesser haben und/oder unrund sein. Da er aber mit seinem Umfang am Anschlag anliegt, wird er in einem solchen Fall nicht mehr zentrisch zu seiner Mittelachse aufgewickelt. Bei ganz hohen Anforderungen, wie dies für eine Vorrichtung der erfindungsgemäßen Gattung gilt, entstehen dadurch unliebsame Meßfehler. Um hier hohe Genauigkeit und damit die Voraussetzung für eine hohe Meßgenauigkeit zu schaffen, ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, daß die Spulen in oder auf Präzisionsmuttern oder -spindeln gewikkelt sind. Solche Muttern oder Spindeln sind mit hoher Genauigkeit herstellbar. Durch das Bewickeln wird ihre Genauigkeit auf die Genauigkeit der Spulen übertragen. Maßgebend für die Lage des Kupferdrahtes auf dem Spulenkern ist damit nicht mehr die Berührung einer Umfangsstelle mit einem Anschlag, sondern seine Berührung an zwei Stellen mit den Gewindegängen einer Mutter oder Spindel. Dies führt zu einer Zentrierung des Kupferdrahtes.

Bei den Messungen im μιΐη-Bereich wirken sich schon sehr geringe Wärmedehnungen nachteilig aus. Die Wärmebelastung muß daher sehr gering gehalten werden. Zu diesem Zweck ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, daß die als Primärwicklung geschaltete Spulengruppe nur impulsmäßig mit Wechselspannung beaufschlagt wird. Zweckmäßig folgen wenigen Schwingungen verhältnismäßig hoher Spannung eine größere Anzahl von Schwingungen mit niedrigerer Spannung. Dabei und auch bei gleichmäßiger Beaufschlagung ist es gleichgültig, ob die eine oder die andere Spulengruppe an Spannung liegt oder mit dem Meßgerät verbunden ist.

Beim Einsatz der Meßvorrichtung werden die beiden den Läufer bildenden kürzeren Spulen mechanisch z. B. mit dem Schlitten einer Werkzeugmaschine verbunden. Bei einer Bewegung des Werkzeuges verschieben sie sich entlang der anderen Spule. Diese stellt eine Sekundärwicklung dar. Bei der Verschiebung entsteht in dieser Sekundärwicklung eine Phasenverschiebung zwischen den beiden in ihr induzierten Spannungen. Diese Phasenverschiebungen werden elektronisch erfaßt und ausgewertet. Das Meßgerät zeigt die Werte an. Die Nulldurchgänge werden gezählt und die dazwischenliegenden Bereiche sind in Längeneinheiten geeicht.

Die Spulen müssen dabei nicht auf zylindrische, sondern können auch auf Spulenkörper mit rechteckförmigem oder quadratischem Querschnitt gewickelt sein.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform sei die Erfindung erläutert In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung der konzentrisch umeinanderliegenden Spulen,
F i g. 2 eine Endansicht einer Spule,
F i g. 3 die schematische Darstellung eines Teils einer Präzisionsmutter, in die eine Spule eingewickelt ist,
F i g. 4 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt, derjenigen Teile, mit denen die den Läufer bildenden Spulen während der Längsverschiebung gedreht werden,

F i g. 5 ein Querschnitt durch diese die Drehung bewirkenden Teile und

F i g. 6 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles VI in Fig.4.

F i g. 1 zeigt die innen liegende ortsfeste längere Spule 12. Gegenüber den beiden außen liegenden Spulen ist sie verkürzt dargestellt In der Praxis kann sie eine Länge bis zu einem Meter und mehr haben. Die Spule 12 hat die beiden Anschlüsse 14 und 16. Von ihren beiden letzten Windungen erkennt man das axial verlaufende Teilstück 18. Hier kehrt die Spule ihre Wikkelrichtung um und wird damit bifilar. Vor den Enden der Spule 12 befinden sich die beiden kürzeren Spulen

20. Sie sind unifilar. Mit ihren Anschlüssen 22 sind sie mit der inneren Spule 12 zusammengeschaltet. Die beiden kürzeren und den Läufer bildenden Spulen 24 und 26 umschließen die innere Spule 12. An ihren Enden befinden sich die Teilstücke 28 und 30. Hier drehen die Windungen ihre Wickelrichtung um.

Die beiden kürzeren Spulen 24 und 26 liegen um χ 7" + 774 auseinander. Bei Beaufschlagung mit den um 90° phasenverschobenen Spannungen erzeugen sie in der inneren Spule 12 phasenverschobene Spannungen beziehungsweise eine Summenspannung. Diese ändert sich bei Verschieben der beiden kürzeren Spuien. Bei Schaltung der längeren Spule als Primärwicklung, entstehen in den beiden kürzeren Spulen entsprechend phasenverschobene Spannungen. Elektrisch liegen die gleichen Verhältnisse auch dann vor, wenn die beiden kürzcen Spulen innen und die längere Spule außen liegt.

F i g. 3 zeigt ein Teilstück einer Präzisionsmutter 32. Die Wicklungen einer Spule, z. B. der Spule 24, sind in die Gänge der Mutter 32 eingewickelt und erhalten damit konstanten Abstand.

F i g. 4 zeigt die innere Spule 12 und die beiden diese umschließenden den Läufer bildenden Spulen 24 und 26. Diese beiden Spulen 24 und 26 sitzen in einem Träger 34. Der Träger 34 ist zylindrisch und verdrehbar in einem Mitnehmer 36 gelagert Der Mitnehmer 36 ist mit dem Meßwertgeber, z. B. dem Werkzeugschlitten verbunden. Der Träger 34 weist eine Gabel 38 auf. Mit dieser Gabel greift er über die Führungsschiene 40. Bei dem in F i g. 6 gezeigten Beispiel hat diese eine Ausbiegung 42 in einer und daran anschließend eine Ausbiegung 44 in der anderen Richtung. Bei einer Längsverschiebung des Trägers 34 in Richtung des in F i g. 6 unten eingezeichneten Teiles wird dieser daher zusammen mit den beiden Spulen 24 und 26 erst in der einen und dann in der anderen Drehrichtung etwas gedreht Bei dieser Drehung wird in der längeren Spule nach Maßgabe dieser Drehung eine Spannung erzeugt. Diese Spannung gleicht den durch die weiter oben genannten Gründe entstehenden Fehler aus.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1 Analog-inkrementale Meßvorrichtung zum Messen von Wegen mit konzentrisch umeinanderliegenden Spulen, von denen eine langer und orts fest ist und zwei um ein Vielfaches ihrer Ti.lung T+ 774 auseinanderliegende kürzere Spulen ge genüber der längeren als Läufer gemeinsani verschiebbar sind, die beiden den Läufer b,Wenden kürzeren Spulen mit einem ortsveränderlichen Wegstreckengeber verbunden sind, die Engere Spule an ein phasenempfindliches Meßgerät und d.e kürzeren Spulen an Wechselspannungen angeschlossen und sämtliche Spulen bifilar «ewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in kurzem Abstand von den beiden Enden der ortsfesten längeren Spule (12) in deren axialer Verlängerung je eine mit ihr elektrisch gekoppelte kürzere Spule (20, 20) angeordnet ist. ,
2. 2 Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß die beiden den Läufer bildenden kürzeren Spulen (24, 26) gegenüber der ortsfesten längeren Spule (12) verdrehbar sind parallel zur Längsachse eine Führungsschiene (40) verlauf die beiden kürzeren Spulen (24,26) über eine Gabel (38) mit der Führungsschiene (40) gleitbar verbunden sind und die Führungsschiene (40) nach Maßgabe von ermittelten Meßfehlern zu deren Berichtigung in Umfangsrichtung Biegungen (42,44) aufweist.
3. 3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 und L aadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (12, 24,2b) in oder auf Präzisionsmuttern oder -spindeln gewik-