DE3128656C2 - Inkrementales Lage-Meßsystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein 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. Die Erfindung besteht darin, daß das Konstruktionselement derart magnetisiert wird, daß sich in Längsrichtung Permanentmagnetabschnitte mit großflächigen Magnetpolen ergeben, denen entsprechend angepaßte Magnetflußjoche gegenüberstehen, in deren Luftspalt ein magnetisch-elektrischer Sensor angeordnet ist.

Description

a) dem Maschinenelement sind aufeinanderfolgende Zonen von Permanentmagneten aufmagnetisiert, die es senkrecht zur Längsrichtung durchsetzen und aus in einer Ebene liegenden Permanentmagnetabschnitten (a) mit großflächigen Magnetpolen (n, s) bestehen,

b) dem Maschinenelement (1) stehen mit geringem Abstand mindestens zwei aus weichmagnetischem Material bestehende, den großflächigen Niagneipoien 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)der Maschinen (1) sind derart magnetisiert; daß sich deren großflächige Magnetpole (N, S) je über etwa die Hälfte des Umfanges des Maschinenelementes (1) erstrecken,

b) die dem Maschinenelement (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 Maschinenelement (1) ist als stabförmiger Hohl- oder Vollkörper ausgebildet,

b) am Umfang des Maschinenelementes (1) sind mit Abstand von diesem mindestens zwei sich gegenüberstehende großflächige Magnetfeldjoche (3, 4) angeordnet, die mit dem Maschinenelement (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 Maschinenelementes (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 Maschinenelement (1) ist als Zylinderkörper ausgebildet,

b) an der Innenseite (20) des Maschinenelementes (1) sind mit Abstand von diesem zwei sich gegenüberstehende großflächige Magnetfeldjoche (21, 22) angeordnet, in deren Luftspalt (23) der magnetisch-elektrische Sensor (24) angeordnet ist.

6. Meßsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite (20) des Maschinenelementes (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

Die Erfindung bezieht sich auf ein inkrementales Lage-Meßsystem zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem langgestreckten Maschinenelement mit minderen magnetischen Eigenschaften und einer Abtasteinrichtung für auf dem Maschinenelement vorgesehene magnetische Markierungen.

Im Bergbau, Schwermaschinenbau, Anlagenbau

u. dgl. besteht die Tendenz einer immer umfassenderen Automatisierung. Hierfür muß u. a. eine Vielzahl von Bewegungsvorgängen auf diesen Gebieten bei Stellmechanismen verwendeten Maschinenelementen gemessen werden, die zur Automatisierung bestimmter Arbeitsabläufe der jeweiligen Maschinen, Anlageteilen 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 Maschinenelementen erfolgt deren Bewegung mittels hydraulischer Stellmechanismen. Beispielsweise im Untertagebergbau sind im Streb befindliche Schreitausbaugestelle mit Strebförderer und Hobel eingesetzt, wobei hydraulisch betätigte Schreibzylinder 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 Anwendungszwecks des Schreitzylinders auch unwesentlich sind. Um die Strebfront gerade zu halten, muß die Lage aller Ausbaugestelle 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 SLM 5« der Fa. Rothe, Dortmund-Berghofen). Das teleskopartige Meßsystem stellt einen erheblichen technischen Aufwand dar. Ferner ist für das Streblage-Meßgerät ein erheblicher Platzbedarf erforderlich.

Aus der JP-PS 56-27 602 ist ein Lage-Meßsystem mit einem magnetischen Maßstab bekannt, der in Längsrichtung verteilte magnetische Marken aufweist, die an einen abtastenden Magnetkopf angepaßt sind. Im Gegensatz zur Erfindung erfüllt der bekannte magneti-

M sehe Maßstab lediglich Meßfunktionen.

Magnetische Maßstäbe werden auch in der DE-PA 0 36 978 beschrieben, die entweder aufgelegte oder eingelegte Magnete aufweisen. Bei der Erfindung werden aber gerade die Nachteile der eingelegten Magnete vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein inkrementales Lage-Meßsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem durch Benutzung

bereits vorhandener, langgestreckter Maschinenelemente der technische Aufwand stark vermindert ist Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß

a) dem Maschinenelement aufeinander folgende Zonen von Permanentmagneten aufmagnetisiert sind, die es senkrecht zur Längsrichtung durchsetzen und aus in einer Ebene liegenden Permanentmaenetabschnitten mit großflächigen Magnetpolen bestehen, und

b) dem Maschinenelement mit geringem Abstand mindestens zwei aus weichmagnetischem Material bestehende, den großflächigen Magnetpolen angepaßte Magnetflußjoche gegenüberstehen, denen ein magnetisch-elektrischer Sensor zugeordnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

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 antimagnetischen Halterung 7, 8 am Zylinder 2 befestigt

Das Maschinenelement 1 besteht aus einem üblichen, die geforderten mechanischen Eigenschaften erfüllenden Werkstoff, wie beispielsweise Stahl bestimmter. Festigkeit, während seine magnetischen Eigenschaften, wie Koerzitivkraft, Remanenz, ungünstig sind; es kann beispielsweise eine Kolbenstange bekannter Konstruktion eines Schreitzylinders seir.

ίο Das Maschinenelement 1 ist mittels der weiter unten beschriebenen Magnetisiereinrichtung nach der Fig.3 zu einem Permanentmagneten ausgebildet, welcher über seiner Länge Permanentmagnetabschnitte a mit abwechselnden Polen N, Saufweist.

Zur großflächigen Polbildung mittels der Magnetisierung ist das gesamte Volumen des Materials herangezogen. Der Magnetfluß Φ des jeweiligen Permanentmagnetabschnittes wird in den großflächigen Magnetflußjochen 3, 4 konzentriert und über den im Luftspalt 5 befindlichen Sensor 6 geführt.

Bei Kolbenstangen von Schreitzylindern können mittels des Magnetisierungsprozesses beispielsweise Permanentmagnetabschnitte in Längsrichtung der Kolbenstange mit Periodenbreiten (N, S) von etwa 8 cm

Automatisierung erfaßt werden soll; außer als Strebla- 25 erzeugt werden, so daß sich über die Längsrichtung eine

ge-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 Konstruktionselements 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.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausbildung eines Lage-Meßsystems in einer Schnittansicht,

F i g. 2 das gleiche System in einer Seitenansicht,

Fig.3 eine Ausbildung einer Magnetisiereinrichtung 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,

F i g. 6 das gleiche System in Längsansicht,

F i g. 7 eine prinzipielle Ausbildung einer Magnetisiereinrichtung für das bei diesem Lage-Meßsystem verwendete langgestreckte Konstruktionselement.

Nach den Fig. 1 und 2 umfaßt das inkrementale Lage-Meßsystem ein langgestrecktes Maschinenelevon magnetischen Perioden einer Relativbewegung zwischen

entsprechende Anzahl
ergibt, die bei

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 Maschinenelementes 1 kann mit der in F i g. 3 dargestellten Magnetisiereinrichtung erfolgen, die im einfachsten Fall aus einem Magnetsystem 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 Maschinenelementes 1 angepaßt und umfassen dieses zum größten Teil. Zur Magnetisierung eines Abschnittes des Maschinenelementes 1 wird die Ί11 Wicklung 17 kurzzeitig mittels eines elektrischen Stromstoßes J erregt, wodurch der von den Polen des Magnetsystems erfaßte Abschnitt des Maschinenelementes durchmagnetisiert wird, wie in Fig. 3 angedeutet ist.

« Durch diese Art der Magnetisierung ist bei den verwendeten Werkstoffen für langgestreckte Maschinenelemente ein maximales Magnetvolumen erzielt; durch die Heranziehung des gesamten Querschnittes des Elementes für die Ausnutzung als Magnet ergibt sich

ment 1, beispielsweise in Form einer mit einem Zylinder bo im Luftspalt 5 bzw. 11 der Magnetflußjoche 3, 4 bzw. 9, 2 zusammenwirkenden Kolbenstange, zwei am Umfang 10 ein ausreichend starkes Magnetfeld für den Sensor 6 des Maschinenelementes 1 mit Abstand zu diesem
angeordnete großflächige Magnetflußjoche 3, 4 und
einen im einen Luftspalt 5 der Magnetflußjoche 3, 4

bzw. Mit der Magnetisiereinrichtung nach Fig. 3 erfolgt nacheinander eine abschnittsweise Magnetisierung des

angeordneten magnetisch-elektrischen Sensor 6, bei- 65 Maschinenelementes 1, wobei jedesmal die Polarität

spielsweise in Form einer Hallsonde; die Magnetflußjo- durch ehe 3, 4 bestehen aus weichmagnetischem Werkstoff, wird, beispielsweise Mu-Metall, und sind mittels einer Es kann

Umkehr des Erregerstromstoßes gewechselt

iedoch auch eine Maenetisiereinrirhtnnp

gewählt werden, mittels der die Permanentmagnetabschnitte in einem Arbeitsgang erzeugt werden.

Beim Meßsystem nach der F i g. 4 sind durch entsprechende Magnetisierung der Kolbenstange 1 an dieser nur einseitig liegende, großflächige Magnetpole N, S gebildet, die etwa die Hälfte des Umfangs der Kolbenstange 1 einnehmen; es sind ferner zwei weichmagnetische Magnetflußjoche 18, 19 mit einem gegenseitigen, der Periodenbreite N, S entsprechenden Abstand vorgesehen, die in geeigneter Weise am Zylinder 2 befestigt sind. Die Magnetflußjoche 18, 19 umfassen etwa die Hälfte des Umfangs der Kolbenstange; in ihrem Luftspalt 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, weiche die austretenden Luft-Magnetfeldünien konzentrieren.

Beim Lage-Meßsystem nach den F i g. 5 und 6 ist das langgestreckte Maschinenelement 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 2!4,25 und einem in deren Luftspalt 26 angeordneten Sensor 27 abgetastet. Die Magnetflußjoehe 24,25 und Sensior 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

ίο 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 1 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 erfaßten 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 Magnetsystem nacheinander erzeugt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Inkrementales Lage-Meßsystem zur Erfassung der Relativbewegung zwischen einem langgestreckten Maschinenelement mit minderen magnetischen Eigenschaften (Maschinenstahl) und einer Abtasteinrichtung für auf dem Maschinenelement vorgesehene magnetische Markierungen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: