DE2429136A1 - Kapazitives laengen- oder winkelmessgeraet - Google Patents

Description

• Betr.: Beschreibung-und Patentansprüche eines Längen-und Winkelmeßgerätes Titel: Kapazitives Längen-fund-RinkelmeNgerät Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät zur Messung von Längen und Winkeln, die mit hoher Reproduktionsgenauigkeit speziell zur Steuenmg von Werkzeugmaschinen, bestimmt werden sollen.-Im Produktionsablauf, besonders bei automatisch gesteuerten Werkzeugmaschinen, tritt häufig das Problem- einer genauen Positions- oder Winkelbestimmung auf. Diese Größen sollen dabei in elektrische- Singnale überführt werden, die dann eine elektronische Weiterverarbeitung erlauben. Meßgeräte dieser Art können digital oder analog arbeiten.
• Zur Winkel- und Längenmessung werden heute eine Vielzahl von Geräten verwendet, angefangen von einfachen potentiometrischen Meßeinrichtungen über optische Geräte bis hin zu interferometrischen Meßsystemen in Verbindung mit optoelektronischen Bauelementen.
• Höchste Genauigkeitsanforderungen bis zur relativen Meßgenauigkeit von 10- 7 können durch interferometrische-Geräte realisiert werden. Inkrementale Positionserfassung und hoher apparativer Aufwand sind die Nachteile dieses Verfahrens.
• Bei potentiometrischen Meßmethoden hingegen ist der Aufwand gering,aber die Reproduktionsgenauigkeit und Linearität sind durch Verschleiß und Fertigungsstreuung auf etwa 10-3 begrenzt.
• Ziel der Erfindung ist es, den Bau eines analogen Meßgerät es zu ermöglichen, dessen Genauigkeit hinsichtlich Reproduktion und Linearität gegenüber der potentiometrischen Methode deutlich verbessert ist.
• Der Bau dieses Gerätes soll heute mit billigen und bekannten Technologien möglich sein. Mechanische Präzisionsteile sollen nicht verwendet werden.
• Die Lösung der Aufgabe wird durch eine weg- oder winkelabhängige Kapazität in Verbindung mit einer Eichkapazität oder durch zwei weg- oder winkelabhängige Kapazitäten in kapazitiver Spannungsteilerschaltung erreicht. Hierzu ist es nötig, eine möglichst starke Abhangigkeit der Kapazität von der Meßgröße zu erreichen, bei möglichst geringer Abhängigkeit von Störgrößen, die senkrecht znr Tangente an den Meßweg auftreten. Das wird durch einen Kapazitätsbelag erreicht, dessen Breite senkrecht zur Meßgröße eine eindeutige Funktion der Meßgröße selbst ist.
• Es ist offensichtlich, daß eine-Spannungsteilerw schaltung aus zwei nach diesem Verfahren aufgebauten Kapazitäten besondere Vorteile hat: t - ---- =.
• Werden beide Kapazitäten in der selben Einheit integriet, so heben sich Pehlereinflüsse wie Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten und Längendehnung senkrecht zur Meßrichtung heraus.
• Deshalb wird hier ein Längenmeßgerät in dieser Ausführungsform beschrieben.
• Beschreibung des Gerätes In Big.l stellen die beiden Flächen 1 und 2 zwei ineinander verzahnte elektrisch- gegeneinander isolierte Kapazitätsbeläge dar.
• Belag 1 ist geerdet, Belag 2 führt Bochfrequenz.
• Die rückseitigen Beläge 11 und 21 sind deckungsgleich mit 1 und 2 ausgeführt, wobei 11 Hochfre- -quenz führt und 21 geerdet ist.Es entstehen dadurch zwei ineinander verzahnte Kapazitäten mit deckungsgleichen Belägen,bei gleichen Gesamtflächen,wobei 1 mit 21 und 2 mit 11 elektrisch verbunden sind.Die Beläge 3 und 31 sind untereinander elektrisch verbunden;jedoch gegen sämtliche anderen Beläge isoliert.Die Teile 5 sind Gleitflächen des ruhenden Stators, der insgesamt aus den Teilen 1,2,3,11,21,71,5 und 9 besteht.9 ist das Trägermaterial für die Beläge.
• Teil 4 ist ein auf dem Stator verschiebbar angeordneter Läufer.Die Teile 8 sind die Gleitflächen dieses Läufers,auf denen er gegenüber dem Stator in X-Richtung verschoben werden kann.
• Figur 2 zeigt eine Darstellung der elektrischen Beläge des Läufers 4.Die Beläge 61..65 sind jeweils mit den Belägen 91.. 95 verbunden,ebenso wie die Beläge 81..85 jeweils mit den Belägen 71..75 elektrisch verbunden sind.
• Beschreibung der elektrischen Funktionsweise des Geräts Werden an die Beläge 1 und 2 sowie 11 und 2l,die in der beschriebenen Weise verknüpft sind,sinusförmige Hochfrequenz.angelegt,so entsteht über den Belägen ein kompliziertes zeitabhängiges Potentialfeld.Für eine leitende Ebene parallel über den Belägen ist aber das sich einstellende Potential nahezu unabhängig von der Entfernung zu den Belägen.Für eine leitende Fläche,die sich in Z-Richtung über das ganze System erstreckt,deren Abmessung in X-Richtung aber klein ist,hängt das sich einstellende Potential nur von der Position auf der X-Achse ab.
• Das ist solange richtig, wie der Abstand dieser Fläche von den Belägen klein ist gegen die Abmessungen des Systems in Z-Richtung. Sei Abweichung von der Parallelität treten Störungen des Potentials auf, die umso kleiner werden, je stärker die Beläge verzahnt sind. Für einen Abstand von 2 mm, 10 Lamellen und eine Abweichung von 0,1 mm von der Parallelität am Ende des Bereiches wurde z.B. eine Abweichung von 0.2 7 gegenüber dem ungestörten Potential berechnet. Dieser Effekt wird aber durch das System der Doppelbeläge auf xl0-6 verringert. Die lamellenartige Unterteilung des Läufers dient zur Verringerung des Fehlers, der bei einer Rotation des Läufers um eine Achse parallel zu Z auftritt, da über den Läufer das Feld kapazitiv auf die Beläge 3 und 31 ausgekoppelt wird. Auf diesen Belägen tritt ein über den ganzen Auf er gemitteltes Potential auf. Auf Grund der Linearität des Systems ist dieses gemittelte Potential gleich dem Potential in der Mitte des Läufers. Das an 7 und 31 ausgekoppelte Potential wird zur Positionsbestimmung des Läufers einer Messelektronik zugeführt (Brückenschaltung oder temperaturkompensierter Verstärker).
• Damit ein veränderlicher Oberwellengehalt des Messgenerators keinen Einfluß'auf das Messergebnis hat, muß der Eingangswiderstand des Messverstärkers groß gegen die Kapazitanz des Messystems sein.
• Der funktionelle Zusammenhang-zwischen Weg und Messspannung kann in weiten Grenzen durch geeignete Wahl der Aufteilungsverhältnisse der Flächen 1 und 2 sowie 11 und 21-gewählt werden (logarithmische Empfindlichkeit) Sämtliche Teile außer den Laufflächen werden wie gedruckte Schaltungen in konventioneller Atztechnik hergestellt. Hierbei besteht die Möglichkeit die Messelektronik voll mit dem Messgerät zu integrieren.
• Ein Gerät mit 30 cm Messlänge hatte bei Tests eine Reproduktionsgenauigkeit von 6x10-5 bei einer abgeschätztenisgungenauigkeit von + 0,1 mm.

Claims (2)

1. Patentansprüche

   Weg- oder winkelabhängiger Kapazitätsbelag dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Kapazitätsbelages am Messpunkt gemessen in einer Ebene senkrecht zur Tangente an die Messgröße -eine Funktion der Messgröße selbst ist.
2. 2. Kapazitätsbeläge nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei ineinander verzahnte Flächen ein orts- oder winkelabhängiges Potentialfeld erzeugen.