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Weg- bzw. Geschwindigkeitsmeßvorrichtung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es sind elektrische Drehzahlmeßanordnungen bekannt, bei welchen die
von einer Dynamomaschine erzeugte Wechsel-oder Gleichspannung gemessen wird, welche
in einem weiten Bereich der Drehzahl proportional ist. Bei einer Wechselspannung
kann außerdem eine Drehzahlmessung durch eine Frequenzmessung erzielt werden, welches
in bestimmten Fällen vorteilhaft ist. Darüber hinaus sind Drehzahlmeßanordnungen
mit Impulsgebern bekannt, bei welchen ein mit einer Welle rotierendes Eisenstück
auf induktivem Wege mit einer feststehenden Spule zusammenwirkt, wobei die entwickelten
Spannungsimpulse gezählt bzw. die Frequenz der Spannungsimpulse gemessen wird. Eine
berührungslose Drehzahlmessung ist ferner auf optischem Wege durch eine mit der
jeweiligen Welle rotierende, mit Aussparungen versehene
Scheibe
möglich, wobei auf einer Seite der Scheibe eine Lichtquelle und auf der anderen
Seite der Scheibe eine Fotozelle oder ein Fotowiderstand angeordnet ist, so daß
die Drehzahlmessung auch in diesem Fall auf einer Frequenzmessung beruht. Während
die Genauigkeit dieser bekannten Meßanordnungen im Fall der auf Spannungsmessungen
beruhenden Verfahren zumindest in Grenzbereichen durch Nichtlinearitäten der Magnetisierungskennlinien
der eingesetzten Werkstoffe beeinträchtigt wird, hängt die Genauigkeit bei der Frequenzmessung
beispielsweise bei den auf magnetischer Induktion beruhenden Meßverfahren von der
Verteilung der Eisenstücke bzw. der Polkörper entlang des Umfangs der Welle ab,
deren Drehzahl zu messen ist. Denn der Abstand dieser Polkörper kann nicht beliebig
klein gemacht werden.
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Den nach optischen Prinzipien arbeitenden Drehzahlmeßverfahren sind
hinsichtlich der Genauigkeit dadurch Grenzen gesetzt, daß die Aussparungen der der
Lichtstrahlunterbrechung dienenden Scheibe ebenfalls nicht beliebig klein gemacht
werden können, wobei sich mit zunehmender Zahl diesgAussparungen außerdem die Herstellungskosten
der Scheibe beträchtlich erhöhen.
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Die Nachteile dieser bekannten Meßvorrichtungen treten somit deutlich
zutage, sobald eine sehr genaue Weg- bzw.
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Drehzahlmessung gefordert wird, insbesondere wenn es sich um eine
verhältnismäßig langsame Bewegung handelt, welche ein hohes Auflösungsvermögen der
eingesetzten Meßvnrrichtung erfordert. Derartige Anforderungen bestehen beispielsweise
bei Handhabungseinrichtungen in der rechnergesteuerten Fertigung, beispielsweise
bei Industrierobotern.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung
der Relativgeschwindigkeit bzw. des relativen
Weges von zueinander
bewegten Bauteilen zu konzipieren, welche bei einfachem konstruktivem Aufbau zur
Steigerung der Meßgenauigkeit ein erhöhtes Auflösungsvermögen aufweist und insbesondere
zur Messung langsamer Bewegungen geeignet ist. Gelöst wird diese Aufgabe vor allem
durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1. Erfindungswesentlich
ist somit ein bestimmter Abstand der auf den unterschiedlichen Bauteilen angeordneten
lmpulsgeber und Impulsempfänger, wobei jedoch aufgrund deren Zuordnung die mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Meßgenauigkeit bzw. das Auflösungsvermögen
nicht unmittelbar durch diese Abstände sondern durch die Differenz der Abstände
der Impulsempfänger und der Impulsgeber bestimmt wird. Unter den Begriffen Impulsgeber
und Impulsempfänger sollen hier und im folgenden jeweils Elementenpaare verstanden
werden, durch deren Relativbewegung gegeneinander Impulse, vorzugsweise elektrische
Impulse erzeugt werden können, auf deren Auswertung die Bildung eines Meßwertes
für einen Weg oder eine Geschwindigkeit beruht. Erfindungsgemäß stehen sich diese
Elemente auf den relativ zueinander bewegten Bauteilen mit unterschiedlichen Teilungen
derart gegenüber, daß das n-fache der Differenz dieser Teilungen, somit das n-fache
der Differenz (-N) oder (N-A M) Jeweils dem Betrag (M) entspricht. Auf diese Weise
werden während des Durchlaufens einer Strecke oder eines Bogens (M) jeweils (n)
Impulse erzeugt, ohne daß die die Impulse bildenden Elemente untereinander einen
Abstand aufweisen, der einer Strecke oder einem Bogen (Min) entspricht. Die durch
die Differenz der Teilungen auf den beiden Bauteilen gegebene Impulsvervielfachung
bringt ein entsprechendes hohes Auflösungsvermögen der erfindungsgemäfien Meßvorrichtung
mit sich, die zu einer sehr genauen Weg- bzw. Geschwindigkeitsmessung benutzt wird,
80 daß eine Anwendung insbesondere in der Fertigung, beispielsweise bei Industrierobotern
möglich ist. Durch die Wahl des Parameters mith > 1 können die Abstände (N) vergrößert
werden, ohne daß das Auflösungsvermögen der MeB-vorrichtung beeinträchtigt wird,
welches durch die oben-
genannten Differenzen v M-N) bzw. (N-A M)
gegeben ist.
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Gemäß den Ansprüchen 2 und 3 sind die Impulsgeber oder Impuls empfänger
entweder entlang des gesamten Umfangs des einen Bauteiles oder entlang der gesamten
linearen Bewegungsbahn des einen Bauteiles angeordnet, wobei naturgemäß die einen
Abstand (N) aufweisendenImpulsaufnehmer bzw. Impulsgeber nur in einer Anzahl (n)
auf dem anderen Bauteil angeordnet sind. Auf welchem der beiden Bauteile die Impulsgeber
oder die Impulsaufnehmer angeordnet sind, beispielsweise auf einem ruhenden oder
einen bewegten ist für die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung belanglos.
Dies kann im Einzelfall nach praktischen Gesichtspunkten festgelegt werden.
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Die Ausgestaltung der Impuls empfänger als kapazitive oder induktive
Impulsaufnehmer gemäß dem Anspruch 5 ist eine Möglichkeit der konstruktiven Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Erforderlich hierzu ist lediglich eine genaue
Justiermöglichkeit der Position der Impulsempfänger bzw. der Impulsgeber.
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Besonders vorteilhaft, insbesondere aufgrund der Möglichkeit einer
raumsparenden Bauweise ist es, gemäß Anspruch 6 ein optisches Meßverfahren anzuwenden,
wobei als Impulsgeber Spalte in Verbindung mit einer Strahlungsquelle, beispielsweise
einer Lichtquelle wirken. Der Abschirmkörper ist hierbei beispielsweise als Scheibe
ausgebildet, in deren Umfangsbereich die Spalte mit dem Abstand (M) angeordnet sind,
wobei diese Scheibe auf der Welle - sich mit dieser drehend angeordnet ist, deren
Drehzahl bzw. deren Drehwinkel gemessen werden soll.
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Abgesehen von einer Lichtquelle als Strahlungsquelle können auch andere
Strahlungsquellen, insbesondere Infrarotstrahlungsquellen benutzt werden.
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Die Ausgestaltung der Impuls empfänger gemäß dem Anspruch 6 stellt
eine sehr übersichtliche Anordnung dar, welche
lediglich eine genaue
Justierbarkeit der einzelnen Strahlungsempfänger voraussetzt. Diese Anordnung ist
grundsätzlich sowohl bei rotatorisch als auch bei translatorisch relativ zueinander
bewegten Bauteilen einsetzbar.
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Die Merkmale des Anspruchs 9 bringen den Vorteil mit sich, daß die
Notwendigkeit einzelner Strahlungsempfänger entfällt, da die von den einzelnen Spalten
ausgehenden Strahlungsimpulse, insbesondere Lichtimpulse durch ein Linsensystem
zusammengefaßt und einem einzigen Strahlungsempfänger zugeführt werden. Auch hierdurch
ist eine sehr kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Der Strahlungsempfänger
hat in diesem System die Aufgabe, die eintreffenden Strahlung insbesondere Lichtimpulse
in elektrische Spannungsimpulse umzuformen, deren weitere Auswertung grundsätzlich
beliebig ist. Ein auf diese Weise gewonnener Meßwert für die Drehzahl bzw. einen
Drehwinkel oder auch eine Strecke kann beispielsweise als Meßgröße in entsprechenden
Regelkreisen Verwendung finden.
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Die Ausgestaltungsform gemäß den Ansprüchen 11 und 12 läßt bei rotatorisch
bewegten Bauteilen eine Meßgenauigkeit zu, die im wesentlichen durch die Herstellungsgenau
igkeit der zahnartigen Polköpfe bestimmt wird. Wesentlich ist, daß jedesmal wenn
zwei einander gegenüberstehende Polköpfe während einer Drehbewegung aneinander vorbeigeführt
werden, eine Flußänderung in dem Magnetjoch entsteht, welche einen Spannungsimpuls
in der Induktionsspule zur Folge. Eine Erfassung der Drehbewegung erfolgt somit
über eine Zählung dieser Spannungsimpulse. Die Polköpfe auf dem feststehenden Bauteil
können in der Form einer endlosen Teilung vorgesehen sein. Es kommt jedoch auch
eine Verteilung lediglich über einen Teil dessen Umfanges in Betracht.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den folgenden,
in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen: Fig.
1 ein Ausftlhrungsbeispiel einer auf induktiven Prinzipien beruhenden erfindungsgemäßen
Vorrichtung; Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel einer auf induktiven Prinzipien
beruhenden erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer optischen
Meßvorrichtung; Fig. 4 reine Detaildarstellung des Meßprinzips der Vorrichtung gemäß
Fig. 3; Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;
Fig. 6 eine Draufsicht gemäß Pfeil VI auf die Darstellung gemäß Fig. 5.
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Mit 1 ist in Fig. 1 eine Welle bezeichnet, auf welche ein umfangsseitig
gezahntes Rad 2 befestigt ist. Die einzelnen Zähne 3, die untereinander an ihrem
äußersten Bereich einen Abstand M aufweisen, sind mit diesem Abstand gleichmäßig
über den gesamten Umfang des Rades 2 angeordnet.
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Dem sich mit der Welle 1 drehenden Rad 2 steht eine stationär angeordnete
Gruppe von Polkörpern 4 gegenüber, deren äußerste Enden auf einem zum Umfang des
Rades 2 konzentrischen Kreis liegen und die an ihrem äußersten Endbereich einen
Abstand von N voneinander aufweisen. Die Polkörper 4 sind mit zeichnerisch im einzelnen
nicht dargestellten Induktionsspulen versehen.
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Das Rad 2 besteht aus einem magnetisch wirksamen Werkstoff, so daß
die Zähne 3 erfindungsgemäße, auf einem bewegten Bauteil angeordnete Impulsgeber
bilden, die mit stationär angeordneten Impulsempfängern, nämlich den Polkörpern
4 auf induktivem Wege zusammenwirken.
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Die Abstände N und M der Zähne 3 bzw. der Polkörper 4 ist so bemessen,
daß n Polkörpern 4 jeweils (n - 1) Zähne 3 gegenüberliegen. Die durch den Baustein
5 angedeutete, an sich bekannte Schaltungsanordnung umfaßt unter anderem eine Zähleinrichtung,
welche die, durch die Relativbewegung der Zähne 3 gegenüber den Polkörpern 4 auf
induktivem Wege erzeugten einzelnen elektrischen Spannungsimpulse addiert, wobei
der Zahl dieser Impulse beispielsweise ein Drehwinkel, eine Drehstrecke oder unter
Zugrundelegung einer Zeitbasis auch eine Drehzahl bzw. eine Umfangsgeschwindigkeit
zugeordnet werden kann. Erfindungswesentlich ist, daß aufgrund der unterschiedlichen
erfindungsgemäßen Abstände N und M der Polkörper 4 einerseits und der Zähne 3 andererseits
eine Impulsvervielfachung eintritt, wobei das Auflösungsvermögen bzw. die kleinste
meßbare Einheit dieser erfindungsgemäßen Drehzahl bzw. Drehwinkelmeßanordnung lediglich
durch die Differenz der Abstände M und
N definiert ist. Das heißt,
ein Impuls wird jeweils einem Drehwinkel zugeordnet, der der Differenz dieser Abstände
entspricht. Die weitere Auswertung de auf diese Weise gewonnenen Meßwertes ist beliebig.
Mit 6 sind lediglich schematisch Leitungen zur Übertragung dieses Meßwertes dargestellt.
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Die Polkörper 4 bilden bei der schematischen Darstellung der Fig.
1 einen Teil einer Baueinheit 7, welche die zur elektrischen Impulsbildung notwendigen
Funktionselemente, hier die erforderlichen Induktionsspulen umfaßt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 sind Elemente, die mit denjenigen
der Fig. 1 übereinstimmen auch übereinstimmend beziffert, so daß auf eine diesbezügliche
wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Die einzelnen Polkörper 4 gemäß Fig. 2
sinXnebst zugehörigen elektrischen, der Impulsbildung dienenden Funktionselementen
nunmehr als einzelne Baueinheiten 7' ausgebildet, welche in einer Anzahl n mit dem
gegenseitigen Abstand N entlang des Umfangs des Rades 2 angeordnet sind. Die stationär
angeordneten Baueinheiten 7' befinden sich auf einem schematisch dargestellten,
kreisringförmigen Träger 8, der mit entsprechenden, eine genaue gegenseitige Abstandseinstellung
ermöglichenden Befestigungseinrichtungen versehen ist. Der Umfang des Rades 2 ist
wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit Zähnen 3 versehen, die untereinander
einen Abstand M aufweisen, wobei der Abstand N derart bemessen ist, daß n Polkörpern
4 genau (n - 1) Zähne 3 gegenüberstehen.
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Die Baueinheiten 7' stehen einzeln über Leitungen 9 mit einem Baustein
5 in Verbindung, der unter anderem eine Zählereinrichtung aufweist, welche die während
der Drehung des Rades 2 über die Leitungen 9 nacheinander übertragenen Impulse addiert,
so daß ein Meßwert für eine Drehstrecke
bzw. einen Drehwinkel gebildet
werden kann oder unter Zugrundelegung einer Zeitbasis auch ein Meßwert für eine
Umdrehungsgeschwindigkeit. Das Auflösungsvermögen auch dieser Meßanordnung, welcher
der Erfassung des Drehwinkels bzw. der Drehzahl der Welle 1 dient, wird bestimmt
durch die Differenz der Abstände M und N.
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Das bisher für eine Drehwinkel- bzw. Drehzahlmessung der Welle 1 beschriebene
Funktionsprinzip gemäß den Fig. 1 und 2 ist grundsätzlich auch für die Messung eines
relativen Drehwinkels bzw. einer relativen Drehzahl zwischen der Welle 1 und der
Baueinheit 7 bzw. den Baueinheiten 7 verwendbar.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
optischen Drehwinkel bzw. Drehzahlmessung.
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Hierbei befindet sich eine Lichtquelle 10 im Randbereich eines Rades
2, das auf einer Welle 1 sitzt, deren Drehwinkel bzw. Drehzahl gemessen werden soll.
Der Randbereich des Rades 2 ist entlang seines gesamten Umfangs mit lichtdurchlässigen
Spalten- 11 versehen, die untereinander einen Abstand M aufweisen. Seitlich neben
dem Rad 2, in dessen Randbereich, und zwar auf der der Lichtquelle 10 abgekehrten
Seite befindet sich ein Abschirmgitter 12, das ebenfalls mit lichtdurchlässigen
Spalten 13 versehen ist, die untereinander einen Abstand M aufweisen. Die Abstände
M und N sind auch hier so bemessen, daß n Spalten 13 (n - 1) Spalten 11 gegenüberstehen.
Die Spalte des Rades 2 bilden im Verbund mit der Lichtquelle 10 einen erfindungsgemäßen
Impulsgeber.
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Als Impulsempfänger dient in diesem Fall eine Einrichtung 14, deren
wesentliches Element beispielsweise in einer Fotozelle oder einem Fotowiderstand
bestehen kann, welche einen auftreffenden Lichtstrahl bzw. Unterbrechungen eines
Lichtstrahls in elektrische Impulse umsetzt. Räumlich
zwischen
dem Abschirmgitter 12 und der Einriditung 14 befindet sich ein Linsensystem 15,
insbesondere eine Sammellinse, wobei sich die Einrichtung 14 im Brennpunkt dieser
Sammellinse befindet. Die Einrichtung 14 steht über Leitungen 16 mit einem Baustein
5 in Verbindung, dessen Aufbau und Funktion demjenigen der Ausführungsformen gemäß
den Fig. 1 und 2 entspricht.
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Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 und 4 werden bei der Bewegung
des Rades 2 entsprechend der Teilung der Spalte 11 und 13 auf dessen der Lichtquelle
10 abgekehrten Seite zeitlich nacheinander Lichtimpulse erzeugt, die nach Bündelung
durch das Linsensystem 15 in der Einrichtung 14 in elektrische Impulse umgesetzt
und anschließend in analoger Weise wie bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1
und 2 ausgewertet werden. Ein besonderer Vorteil des -letztgenannten Ausführungsbeispiels
liegt in der Möglichkeit einer sehr kompakten Bauweise der gesamten Meßanordnung.
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Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Welle 18, welche ein Rad 17 trägt,
das umfangsseitig mit sich radial erstreckenden zahnartigen Polköpfen 19 ausgerUstet
ist. Die Polköpfe 19 sind in der Form einer endlosen Teilung auf dem gesamten Umfang
des Rades 17 angeordnet, wobei die Mittellinien zweier einander benachbarter Polköpfe
19 einen Abstand N voneinander aufweisen.
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Das Rad 17 wird von einem feststehenden Bauteil umgeben, welches hier
die Gestalt eines Ringkörpers 20 zeigt. Der Ringkörper 20 trägt auf seiner, den
Polköpfen 19 zu,gekehrten Innenseite zahnartige Polköpfe 21, die in der Form einer
endlosen Teilung auf dem gesamten inneren Umfang des Ringkörpers 20 angeordnet sind,
wobei die Mittellinien zweier einander benachbarter Polköpfe 21 einen Abstand M
voneinander aufweisen.
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Die Teilungen der Polköpfe 19, 21 sinderfindungsgemäß derart ausgelegt,
daß (n-1) Polköpfen 21 Jeweils (n)
Polköpfe 19 gegenüberstehen.
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Sowohl der Ringkörper 20 als auch das Rad 17 einschließlich der jeweiligen
Polköpfe 19, 21 bestehen aus einem magnetisch permeablen, insbesondere einem ferromagnetischen
Werkstoff.
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Auf dem Ringkörper 20 ist ein Magnetjoch . 22 angebracht, das aus
den Teilen 22 und 23 besteht, zwischen welchen ein Permanentmagnet 25 angeordnet
ist. Das Teil 23 ist zugleich Träger einer Induktionsspule 26. Es besteht auf diese
Weise ein geschlossener magnetischer Kreis ausgehend von dem Permanentmagneten 25
über das Teil 24, einen Luftspalt 27 zwischen letzterem und dem Rad 17, das Rad
17, einen Luftspalt 28 zwischen zwei einander gegenüberstehenden Polköpfen 19,21,
den Ringkörper 20 und das Teil 22 zurück zu dem Permanentmagneten 25. Der in diesen
magnetischen Kreis durch den Permanentmagneten 25 entwickelte Fluß erfährt jedesmal
eine Änderung , wenn während der Drehung des Rades 17 zwei einander gegenüberstehende
Polköpfe 19, 21 einander passieren, da sich hierbei der Luftspalt 28 ändert. Die
Auswertung der auf diese Weise in der Induktionsspule 26 gewonnenen Spannungsimpulse
zwecks Gewinnung eines Meßwertes kann in analoger Weise wie bei den vorangegangenen
Ausführungsbeispielen durchgeführt werden.?