DE3128656A1

DE3128656A1 - Inkrementales lage-messsystem

Info

Publication number: DE3128656A1
Application number: DE19813128656
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. 6078 Neu Isenburg Becker; Gerhard Dipl.-Ing. 6081 Büttelborn Schadebrodt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-07-20
Filing date: 1981-07-20
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE3128656C2

Description

Inkrementales Lage-Mensystem
Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf ein inkrementales Lage-Meßsystem zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem langgestreckten Konstruktionselement mit minderen magnetischen Eigenschaften und einer Abtasteinrichtung für auf dem Konstruktionselement vorgesehene magnetische Markierungen.
Stand der Technik Im Bergbau, Schwermaschinenbau, Anlagenbau udgl. besteht die Tendenz einer immer umfassenderen Automatisierung.
Hierfür muß u. a. eine Vielzahl von Bewegungsvorgängen von auf diesen Gebieten bei Stellmechanismen verwendeten Konstruktionselementen gemessen werden1 die zur Automatisierung bestimmter Arbeitsabläufe der jeweiligen Maschinen, Anlageteile usw. herangezogen werden. Die Bewegungsvorgänge werden in Verbindung mit geeigneten Wandlern in elektrische Ist-Signale umgesetzt, die zur Weiterverarbeitung einer Rechenanlage zugeführt werden, welche auf die Bewegungsvorgänge bezogene Informationen und Befehle bildet.
In vielen Fällen und insbesondere bei großen und schweren Konstruktionselementen erfolgt deren Bewegung mittels hydraulischer Stellmechanismen.
Beispielsweise im Untertagebergbau sind im Streb befindliche Schreitausbaugestelle mit Strebförderer und Hobel eingesetzt, wobei hydraulisch betätigte Schreitzylinder den Strebförderer und Hobel gegen die Kohle pressen.
Die Schreitzylinder bestehen aus einem metallischen Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit, welcher ungünstige magnetische Eigenschaften aufweist, da diese bezüglich des Anwendungszweckes des Schreitzylinders auch unwesentlich sind.
Um die Strebfront gerade zu halten, muß die Lage aller Ausbaugestell bekannt sein.
Es ist bereits ein Streblage-Meßgerät bekannt, welches am Rückzylinder und Kolben des Schildausbaus angeordnet ist und welches mittels eines teleskopartigen Systems das Vorrücken des Fördermittels mißt (Druckschrift "Streb-Lage-Meßgerät SLM5" der Fa. Rothes Dortmund-Berghoffen) Das teleskopartige Meßsystem stellt einen erheblichen technischen Aufwand dar; ferner ist für das Streblage-Meßgerät ein erheblicher Platzbedarf erforderlich.
Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein iSkrementales Lage-Meßsystem der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei welchem durch Benutzung bereits vorhandener langgestreckter Konstruktionselemente der technische Aufwand stark vermindert ist.
Lösung Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß a) das Konstruktionselement mittels eines Magnetisierungsprozesses als Permanentmagnet ausgebildet ist, der aus einer Reihe von über die Längsrichtung des Elementes verteilten, das Element senkrecht zur Längsrichtung durchsetzenden, in einer Ebene liegenden Permanentmagnetabschnitten mit großflächigen Magnetpolen besteht, und b) dem Konstruktionselement stehen mit geringem Abstand mindestens zwei aus weichmagnetischem Material bestehende, den großflächigen Magnetpolen angepaßte Magnetflußjoche gegenüber, denen ein magnetischelektrischer Sensor zugeordnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteile Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, daß die Erfindung ganz allgemein bei Stellmechanismen mit bewegten langgestreckten Konstruktionselementen mit ungünstigen magnetischen Eigenschaften anwendbar ist, deren Lage aus Gründen der Steuerung oder Automatisierung erfaßt werden soll; außer als Streblage-Meßsystem sei auf Werkzeugmaschinen und Arbeitsgeräte verwiesen, deren Werkzeug den Vorschub mittels einer Vorschubstange erhält (Bohrmaschinen usw.), wobei diese Stangen unmittelbar als Meßmittel herangezogen sind; außer der Lage wird auch eine Information über die Bewegungsrichtung (vorwärts -rückwärts) und Geschwindigkeit des Konstruktionselementes erhalten; bis auf die relativ kleine Abmessungen aufweisenden zwei Magnetflußjoche mit Sensor entfallen weitere zur Lagemessung erforderliche separate Mittel mit ihren Anbau- und evtl. auch Umbauarbeiten; bei Schreitzylindern können die Magnetflußjoche mit Sensor in diesen integriert werden. Die Erfindung kann in vielen Fällen nachträglich an bereits vorhandenen Stellmechanismen realisiert werden.
Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Ausbildung eines Lage-Meßsystems in einer Schnittansicht, Fig. 2 das gleiche System in einer Seitenansicht, Fig. 3 eine Ausbildung einer Nagnetisiereinrichtung für das langgestreckte Konstruktionselement, Fig. 4 eine andere Ausbildung eines Lage-Meßsystems in einer Seitenansicht, Fig. 5 eine weitere Ausbildung eines Lage-Meßsystems in einer Schnittansicht, Fig. 6 das gleiche System in Längsansicht, Fig. 7 eine prinzipielle Ausbildung einer Magnetisiereinrichtung für das bei diesem Lage-Heßsystem verwendete langgestreckte Konstruktionselement.
Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt das inkrementale Lage-Meßsystem ein langgestrecktes Konstruktionselement 1, beispielsweise in Form einer mit einem Zylinder 2 zusammen wirkenden Kolbenstange, zwei am Umfang des Sonstruktionselementes 1 mit Abstand zu diesem angeordnete großflächige Magnetflußjoche 3, 4 und einen im einen Luftspalt 5 der Magnetflußjoche 3, 4 angeordneten magnetisch-elektrischen Sensor 6, beispielsweise in Form einer Hallsonde; die Magnetflußjoche 3, 4 bestehen aus weichmagnetischem Werkstoff, beispielsweise Nu-etall' und sind mittels einer antimagnetischen Halterung 7, 8 am Zylinder 2 bestigt.
Das Konstruktionselement 1 besteht aus einem üblichen, die geforderten mechanischen EigenschnSten erfüllenden Werkstoff, wie beispielsweise Stahl bestimmter Festigkeit, während seine magnetischen Eigenschaften, wie Soerzitivkraft, Remanenz, ungünstig sind; es kann beispielsweise eine Kolbenstange bekannter Ronstruktion eines Schreit zylinders sein.
Das Konstruktionselement 1 ist mittels der weiter unten beschriebenen Magnetisiereinrchtung nach der Fig. 3 zu einem Permanentmagneten ausgebildet, welcher über seiner Länge Permanentmagnetabschnitte a mit abwechselnden Polen N, S aufweist.
Zur großflächigen Polbildung mittels der Magnetisierung ist das gesamte Volumen des Materials herangezogen. Der Magnetfluß b des jeweiligen Permanetmagnetabschnittes wird in den großflächigen Magnetflußjochen 3, 4 konzentriert und über den im Luft spalt 5 befindlichen Sensor 6 geführt.
Bei Kolbenstangen von Schreitzylindern können mittels des Magnetisierungsprozesses beispielsweise Permanentmagnet abschnitte in Längsrichtung der Kolbenstange mit Periodenbreiten (N, S) von etwa 8 cm erzeugt werden, so daß sich über die Längsrichtung eine entsprechende Anzahl von magnetischen Perioden ergibt, die bei einer Relativbewegung zwischen Kolbenstange 1 und Schreitzylinder 2 an der Kombination Magnetflußjoche 3, 4 -Sensor 6 vorbeilaufen, welcher eine entsprechende Lageinformation (Inkrement 2 cm) über die Kolbenstange 1 ausgibt, Eine Information über die Richtung der Verschiebung wird erzielt, indem zu den Magnetflußjochen 3, 4 mit bestimmtem Abstand zwei weitere Magnetflußjoche 9, 10, angeordnet sind, in deren Luftspalt 11 ein Sensor 12 angeordnet ist; die Signale der beiden Sensoren 6, 12 werden einer nicht weiter dargestellten elektronischen, an sich bekannten Richtungs-Auswerteschaltung zugeführt.
Die abschnittsweise Magnetisierung des Sonstruktionselementes 1 kann mit der in Fig. 3 dargestellten Magnetisiereinrichtung erfolgen, die im einfachsten Fall aus einem Magnet system mit etwa U-förmigem Magnetkern 15 besteht, auf dessen Joch 16 eine Erregerwicklung 17 aufgebracht ist; die beiden Pole dieses Magnetsystems sind in ihrer Form der Oberfläche des Konstruktionselementes 1 angepaßt und umfassen dieses zum größten Teil. Zur Magnetisierung eines Abschnittes des Sonstruktionselementes 1 wird die Wicklung 17 kurzzeitig mittels eines elektrischen Stromstoßes J erregt, wodurch der von den Polen des Magnetsystems erfaßte Abschnitt des Sonstruktionselementes durchmagnetisiert wird, wie in Fig. 3 angedeutet ist.
Durch diese Art der Magnetisierung ist bei den verwendeten Werkstoffen für langgestreckte Konstruktionselemente ein maximales Magnetvolumen erzielt; durch die Heranziehung des gesamten Querschnittes des Elementes für die Ausnutzung als Magnet ergibt sich im Luftspalt 5 bzw. 11 der Magnetflußjoche 3, 4 bzw. 9, 10 ein ausreichend starkes Magnetfeld für den Sensor 6 bzw. 12.
Mit der Magnetisiereinrichtung nach Fig. 3 erfolgt nacheinander eine abschnittsweise Magnetisierung des Konstruktionselementes 1, wobei jedesmal die Polarität durch Umkehr des Erregerstromstoßes gewechselt wird.
Es kann jedoch auch eine Nagnetisiereinrichtung gewählt werden, mittels der die Permanentmagnetabschnitte in einem Arbeitsgang erzeugt werden.
Beim Meßsystem nach der Fig. 4 sind durch entsprechende Magnesierung der Kolbenstange 1 an dieser nur einseitig liegende, großflächige Magnetpole N, S gebildet, die etwa die Hälfte des Umfangs der Solbenstange 1 einnehmen; es sind ferner zwei weichmagnetische Nagnetflußjoche 18, 19 mit einem gegenseitigen, der Periodenbreite N, S ent sprechenden Abstand vorgesehen, die in geeigneter Weise am Zylinder 2 befestigt sind. Die Magnetflußjoche 18 9 19 umfassen etwa die Hälfte des Umfangs der Kolbenstange; in ihrem Luft spalt 20 ist ein magnetfeldempfindlicher Sensor 21 angeordnet.
Bei einer Relativbewegung zwischen Kolbenstange 1 und Zylinder 2 werden die auf der gleichen Umfangshälfte 22 liegenden und sich abwechselnden großflächigen Magnetpole N, S, N, S usw. der Kolbenstange 1 von den Magnetflußjochen 18, 19 überfahren, welche die austretenden Luft-Magnetfeldlinien konzentrieren.
Beim Lage-Meßsystem nach den Fig. 5 und 6 ist das langgestreckte Konstruktionselement 1 ein Zylinder, welcher ebenfalls in seiner Längsrichtung Permanentmagnetabschnitte a mit an der Innenwand 23 gebildeten Polen N, S aufweist. In der Praxis kann das Element 1 beispielsweise ein Schreitzylinder sein; die magnetische Information der Zylinderinnenwand 23 wird wieder mittels einer im Inneren des Zylinders 1 befindlichen Kombination von an die Innenwand 23 angepaßter Magnetflußjoche 24, 25 und einem in deren Luftspalt 26 angeordneten Sensor 27 abgetastet. Die Magnetflußjoche 24, 25 und Sensor 27 sind magnetisch entkoppelt mit dem Zylinderkolben 28 verbunden. Auch bei dieser Meßsystemausbildung wird wieder das Luft-Magnetfeld der Permanentmagnetabschnitte a mittels der Magnetflußjoche 24, 25 gesammelt und auf den Sensor 27 konzentriert.
Die abschnittsweise Magnetisierung des praktisch gesamten Materials des Schreitzylinders 1 kann mit einer gemäß Fig. 7 ausgebildeten Magnetisiereinrichtung erfolgen. Es ist ein Magnetsystem mit einem Eisenkern 30 verwendet, dessen Pole 31, 32 in ihrer Form an die Innenwand 23 des Zylinders l angepaßt sind; auf dem Joch 33 ist eine Erregerwicklung 34 angeordnet. Das Magnetsystem wird in das Innere des Zylinders 1 eingeführt; wird der Wicklung 33 kurzzeitig Strom zugeführt, so werden die von den Polen 31, 32 des Magnetsystems erfanten großflächigen Bereiche des Zylinders 1 vollständig magnetisiert und an dessen Innenwand 23 entstehen entsprechend großflächige Pole N, S. Die Permanentmagnetabschnitte a werden beispielsweise wieder durch Relativverschiebung von Zylinder 1 und Magnet system nacheinander erzeugt.

Claims

Patent ansprüche 1. <. Inkrementales Lage-Meßsystem zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem langgestreckten Konstruktionselement mit minderen magnetischen Eigenschaften (Maschinenstahl) und -einer Abtasteinrichtung für auf dem Konstruktionselement vorgesehene magnetische Markierungen, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) das Konstruktionselement (1) ist mittels eines Magnetisierungsprozesses als Permanentmagnet ausgebildet, der aus einer Reihe von über die Längsrichtung des Elementes (1) verteilten, das Element (1) senkrecht zur Längsrichtung durchsetzenden, in einer Ebene liegenden Permanentmagnetabschnitten (a) mit großflächigen Magnetpolen (N, S) besteht, b) dem Konstruktionselement (1) stehen mit geringem Abstand mindestens zwei aus weichmagnetischem Material bestehende, den großflächigen Magnetpolen angepaßte Magnetflußjoche (3, 4; 21, 22) gegenüber, denen ein magnetisch-elektrischer Sensor (6; 24) zugeordnet ist.
2. Meßsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) die Permanentmagnetabschnitte (a) des Konstruktionselementes (1) sind derart magnetisiert, daß sich deren großfiächige Magnetpole (N, S) je über etwa die Hälfte des Umfanges des Konstruktionselementes (1) erstrecken, b) die dem Konstruktionselement (1) zugewandte Oberfläche der Magnetflußjoche (3, 4; 21, 22) ist der Fläche der Magnetpole (N, S) angepaßt.
3. Meßsystem nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) das mit Permanentmagnetabschnitten (a) versehene Konstruktionselement (1) ist als stabförmiger Hohl- oder Vollkörper ausgebildet, b) am Umfang des Konstruktionselementes (1) sind mit Abstand von diesem mindestens zwei sich gegenüberstehende großflächige Magnetfeldjoche (3, 4) angeordnet, die mit dem Konstruktionselement (1) einen offenen Magnetkreis bilden, in dessen einem durch die Magnetflußjoche (3, 4) gebildeten Luftspalt(5) der magnetisch-elektrische Sensor (6) angeordnet ist.
4. Meßsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Konstruktionselementes (1) zwei einen gegenseitigen Abstand aufweisende Paare von sich gegenüberstehenden großflächigen Magnetfeldjochen (3, 4; 9, 10) angeordnet sind, und daß in deren Luftspalt (5, 11) je ein magnetisch-elektrischer Sensor (6, 12) angeordnet ist.
5. Meßsystem nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) das mit Permanentmagnetabschnitten (a) versehene Konstruktionselement (1) ist als Zylinderkörper ausgebildet, b) an der Innenseite (20) des Konstruktionselementes (1) sind mit Abstand von diesem zwei sich gegenüberstehende großflechige Magnetfeldjoche (21, 22) angeordnet, in deren Luftspalt (23) der magnetischelektrische Sensor (24) angeordnet ist.
6. Meßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite (20) des Konstruktionselementes (1) zwei einen gegenseitigen Abstand aufweisende Paare von sich gegenüberstehenden großflächigen Magnetfeldjochen angeordnet sind, und daß im Luftspalt der Magnetfeldjochpaare je ein magnetisch-elektrischer Sensor angeordnet ist.