DE3708770A1 - Vorrichtung zur beruehrungslosen ermittlung einer abweichung vom soll-abstand zwischen einem gegenstand und einem objekt mittels gepulster funkenentladung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Es ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (DE-PS 35 13 799, Fig. 2b), bei welcher zwischen einer Hochspannungs­ elektrode und einer das Objekt darstellenden Masseelektrode eine Meßfunkenstrecke und zwischen derselben Hochspannungs­ elektrode und einer an Masse liegenden Referenzelektrode eine Referenzfunkenstrecke ausgebildet ist, welche jedoch räumlich voneinander getrennt sind. Diese räumliche Trennung führt zu einer schlechten Kopplung dieser beiden Funkenstrecken und als Folge davon zu einer mehr oder weniger großen Schalthysterese. Da bei dieser bekannten Vorrichtung meßtechnisch mit Wiederholtraten im kHz-Bereich gearbeitet wird, kann sich die verbleibende Restionisation des aktivierten Gasvolumens nicht bis zur nächsten Funkenentladung vollständig neutralisieren. Die Folge ist ein Absinken der Ansprechspannung und damit eine Verschiebung des abstandsabhängigen Umschaltpunktes, ab dem die jeweils andere Funkenstrecke aktiv wird. Des­ weiteren führt diese räumliche Trennung zu einer ungenügenden Kompensation anderer, auf die Ansprechspannung einflußnehmen­ den Größe, wie Temperatur, Druck, Strömung, Gasart, was insbesondere bei Anwendung in der Nähe von Schweißlicht­ bögen der Fall ist, die starke örtliche Gradienten dieser Größen erzeugen. Darüber hinaus arbeitet die bekannte Vorrichtung im Sinne eines Näherungsschalters und ist somit überall dort nicht einsetzbar, wo es auf die Über­ wachung von Abstandstoleranzen ankommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vor­ richtung so auszubilden, daß sie auf wechselnde Um­ gebungseinflüsse weitgehend unempfindlich reagiert und darüber hinaus zumindest innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches eines SOLL-Abstandes eine kontinuier­ liche Abstandsauflösung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 besondere Ausgestaltungen der Vor­ richtung und die Merkmale des Anspruches 6 eine diverse Ausbildung der Auswerteeinheit der Vorrichtung kenn­ zeichnen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste An­ ordnung der Elektroden der Vorrichtung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine zweite Anordnung der Elektroden der Vorrichtung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung die Vor­ richtung mit Auswerteeinheit und

Fig. 4 ein Abstandsdiagramm.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Elektrodenan­ ordnung der Vorrichtung aus einer Hochspannungselektrode 1, einer an Masse 2.1 liegenden Referenzelektrode 2 und einer das an Masse 3.3 gelegte Objekt 3 - beispielsweise ein Werkstück - darstellenden Masseelektrode 3.1. Mit der Hochspannungselektrode 1 ist mechanisch und elektrisch isoliert ein Gegenstand 4 - beispielsweise eine Schweiß­ elektrode eines Schweißgerätes - verbunden, welcher unter einem bestimmten Abstand entlang der Kontur des Objektes 3 bewegt werden soll. Die Referenzelektrode 2 ist an der Hochspannungselektrode 1 und gegenüber dem Fußpunkt 1.1 der Hochspannungselektrode 1 in einem festen Abstand P angeordnet - welcher den SOLL-Abstand zwischen dem Gegenstand 4 und der Kontur 3.2 entsprechen kann bzw. diesem entsprechend zuge­ ordnet ist -, wobei zwischen beiden Elektroden eine Referenz­ funkenstrecke RF gebildet ist. Ebenso ist zwischen dem Fuß­ punkt 1.1 der Hochspannungselektrode 1 und der Bezugskante 3.4 der Masseelektrode 3.1 unter einem Abstand X eine Meß­ funkenstrecke MF gebildet, wobei im Stromkreis zwischen der Hochspannungselektrode 1 und der Masse 3.3 ein Sensor 5 angeordnet ist, welcher bei über die Meßfunkenstrecke MF stattfindender Funkenentladung einen Impuls erzeugt.

Wird nun von einem Hochspannungsgenerator 7 (Fig. 3) eine gepulste Hochspannung an die Hochspannungselektrode 1 an­ gelegt, so ist bei genauer mechanischer (Abstand X = Ab­ stand P) und physikalischer Symmetrie die Wahrscheinlich­ keit für das Durchbrechen entweder der Referenzfunken­ strecke RF oder Meßfunkenstrecke MF jeweils genau 0,5, d. h., der Nachweisimpuls am Sensor 5, daß eine Funkenent­ ladung über die Meßfunkenstrecke MF stattgefunden hat, er­ scheint nur in 50% aller induzierten Funkenentladungen. An­ dererseits wird eine leichte Unsymmetrie, hervorgerufen durch eine Änderung des Abstandes X, unmittelbar diesen Wahrscheinlichkeitswert verändern.

Bezogen auf Fig. 1 bedeutet dies, daß dann, wenn X << P ist, die Funkenentladungen ausschließlich über die Re­ ferenzfunkenstrecke RF erfolgen und der Sensor 5 somit keine Impulse erzeugt. Nähert sich der Abstand X dem Ab­ stand P, so wächst die Wahrscheinlichkeit, daß auch einzelne Funkenentladungen über die Meßfunkenstrecke MF stattfinden, wobei die Anzahl der Entladungen mit geringer werdendem Abstand X zunimmt. Wird hingegen X « P, so werden die Funkenentladungen ausschließlich über die Meßfunkenstrecke MF stattfinden und der Sensor 5 erzeugt Impulse entsprechend der Zahl der induzierten Funkenentladungen.

Aufgrund dieses Sachverhalts läßt sich eine Abstandsab­ hängigkeit Z/Z _o = f(X) darstellen - wie in Fig. 4 ge­ zeigt -, mittels welcher in einem bestimmten Sensitivi­ tätsbereich S mit dem Quotienten Z/Z _o eine genauere Be­ stimmung des Abstandswertes X möglich ist (Z bedeutet hierbei die Anzahl der innerhalb eines Meßzyklus' vom Sensor erfaßten Funkenentladungen, Z _o bedeutet die Ge­ samtmenge der vom Hochspannungsgenerator ausgelösten Funkenentladungen innerhalb eines Meßzyklus') und somit in bezug auf den Abstand P auch die Abweichung (X-P) fest­ stellbar ist.

Wie aus Fig. 1 des weiteren noch ersichtlich ist, wird die physikalische Symmetrie der Elektrodenanordnung dadurch sichergestellt, daß die Referenzfunkenstrecke RF räumlich eng zur Meßfunkenstrecke MF benachbart angeordnet wird, also im Gasraum derselben liegend, so daß um beide Funken­ strecken sowohl die gleichen Ionisationsbedingungen als auch äußeren Einflußbedingungen vorliegen. Ferner kann die Einflußsymmetrierung durch Vereinigung der beiden Funkenstrecken in möglichst identischen Gasvolumina noch durch eine künstliche Symmetrierung gesteigert werden, in dem beispielsweise der Bereich der Funkenstrecken über ein Gebläse angeblasen wird.

Gemäß Fig. 2 sind die Elektroden der Vorrichtung inner­ halb eines Werkstückspaltes angeordnet, mit dem Ziel, innerhalb des Werkstückspaltes die Mittellage zu er­ kennen oder generell den Abstand der Elektroden bezüglich einer oder mehrerer Objektoberflächen zu symmetrieren. Hierbei wird die Meßfunkenstrecke MF von einer ersten Hochspannungselektrode 1 und der das Objekt 3 darstellen­ den Masseelektrode 3.1 gebildet, hingegen die Referenz­ funkenstrecke RF von einer der ersten Hochspannungselek­ trode 1 elektrisch parallel geschalteten und geometrisch fest mit dieser verbundenen zweiten Hochspannungselektrode 6 und einer Referenzelektrode, welche ebenfalls die Masseelek­ trode 3.1 oder bei geteiltem Werkstück - wie in gestrichelten Linien angedeutet - eine von dem anderen Werkstückteil ge­ bildete Referenzmasseelektrode 3.2 sein kann. Die Fußpunkte 1.1 und 6.1 der beiden Hochspannungselektroden 1 und 6 sind wiederum so angeordnet, daß sie für die Referenz- und Meß­ funkenstrecke im gleichen Gasraum liegen. Der Sensor 5 bildet bei dieser Anordnung einen unmittelbaren Bestandteil der ersten Hochspannungselektrode 1, so daß er nur bei über die Meßfunkenstrecke stattfindender Funkenentladung einen Impuls erzeugt.

Wird nun von einem Hochspannungsgenerator 7 (Fig. 3) eine gepulste Hochspannung an die Hochspannungselektroden 1, 6 angelegt, so ist bei genauer mechanischer (Abstand X = Abstand Y) und physikalischer Symmetrie die Wahrscheinlich­ keit für das Durchbrechen entweder der Referenzfunkenstrecke RF oder der Meßfunkenstrecke MF jeweils genau 0,5, d. h., der Nachweisimpuls am Sensor 5, daß eine Funkenentladung über die Meßfunkenstrecke MF stattgefunden hat, erscheint wiederum nur in 50% aller induzierten Funkenentladungen. Ebenso werden leichte Unsymmetrien, hervorgerufen durch eine Änderung des Abstandes X, unmittelbar diesen Wahr­ scheinlichkeitswert verändern, so daß sich wiederum eine Abstandsabhängigkeit Z/Z _o = f(X/Y) - wie in Fig. 4 gezeigt - darstellen läßt.

Wie aus Fig. 3, welche die Vorrichtung mit ihrer Elektroden­ anordnung und Auswerteeinheit 13 analog Fig. 1 zeigt, er­ sichtlich ist, ist zwischen dem Fußpunkt 1.1 der Hochspannungs­ elektrode 3.1 die Meßfunkenstrecke MF und zwischen dem Fuß­ punkt 1.1 und der Referenzelektrode 2 die Referenzfunken­ strecke RF gebildet. Die Hochspannungselektrode 1 ist mit einem Hochspannungsgenerator 7 - bestehend aus dem Hoch­ spannungsteil 7.1 und einem Oszillator 7.2 - verbunden, welcher die gepulste Hochspannung erzeugt. Am Ausgang des Oszillators 7.2 ist des weiteren ein Zähler 8 angeschlossen, dessen Ausgang sowohl mit einem weiteren Zähler 9 als auch mit einem Decoder 10 verbunden ist, wobei auch der Ausgang des Zählers 9 mit dem Decoder 10 verbunden ist. Der Eingang des Zählers 9 wiederum ist mit dem einen Anschluß des Sen­ sors 5 verbunden, dessen anderer Anschluß auf Masse liegt. Wird nun eine gepulste Funkenentladung eingeleitet, so werden während des vom Zähler 8 bestimmten Meßzyklus' - wodurch also auch die Gesamtmenge Z _o der vom Generator ausgelösten Funkenentladungen während des Meßzyklus' be­ stimmt ist - vom Sensor 5 die Funkenentladungen erfaßt, welche zwischen der Hochspannungselektrode 1 und der Masseelektrode 3.1 - also über die Meßfunkenstrecke MF - erfolgen. Die hierbei vom Sensor 5 erzeugten Impulse ge­ langen auf den Zähler 9 - welcher zu Beginn eines jeden Meßzyklus' von dem Zähler 8 zurückgesetzt wird -, werden in diesem aufaddiert und am Ende des Meßzyklus' wird der Zählerstand, welcher der Häufigkeit Z entspricht, gespeichert und der Speicherwert dem Decoder 10 zugeführt, welcher den Quotient aus Z und Z _o bildet. Anhand der im Decoder ge­ speicherten Abhängigkeitsfunktion entsprechend Fig. 4 wird in diesem der entsprechende Abstand X der Meßfunkenstrecke MF ausgelesen und ein der Abweichung (X-P) entsprechendes Signal gebildet, welches sodann am Ausgang des Decoders 10 beispielsweise als digitales Schwellwertsignal ansteht und welches zur entsprechenden Nachführung der Elektrodenan­ ordnung bzw. des Gegenstandes an das Objekt herangezogen wird.

Wie in Fig. 3 unterhalb der gestrichelten Linie dargestellt ist, kann eine analoge Auswertung auch mit Hilfe eines Flip-Flops 11 erreicht werden, wenn dessen Rücksetzeingang mit dem Os­ zillator 7.2 und dessen Setzeingang mit dem Sensor 5 ver­ bunden wird. Wegen des sehr kurzen Zeitintervalls zwischen der Taktflanke des Spannungsimpulses vom Oszillator und dem Impuls von Sensor ist das Flip-Flop näherungsweise entweder eine gesamte Spannungsimpulsperiodendauer ein- oder ausgeschaltet. Ein nachfolgender Tiefpaß 12 geeigneter Dimensionierung erzeugt bei fester Oszillatorfrequenz ein hinreichend oberwellenarmes, dem Abstand X bzw. der Abwei­ chung (X-P) zuordenbares analoges Signal.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung einer Abweichung vom SOLL-Abstand zwischen einem Gegenstand - Arbeitsgerät­ schaft - und der Kontur eines relativ zum Gegenstand beweg­ baren Objektes,
mittels einer von einem Hochspannungsgenerator ausgelösten gepulsten Funkenentladung,
entweder über eine Meßfunkenstrecke - welche von einer Hoch­ spannungselektrode und einer das Objekt darstellenden Masse­ elektrode gebildet ist, -
oder über eine Referenzfunkenstrecke - welche von einer Hoch­ spannungselektrode und einer an Masse liegenden Referenz­ elektrode gebildet ist -,
wobei zum Nachweis des Entladungsweges im Stromkreis einer Funkenstrecke ein Sensor angeordnet ist, welcher bei über diese Funkenstrecke stattfindender Funkenentladung einen Impuls erzeugt, welcher in einer Auswerteeinheit zur Bildung eines abstandsabhängigen Signals entsprechend ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Referenzfunkenstrecke (RF) räumlich eng zur Meßfunken­ strecke (MF) - im Gasraum derselben liegend - benachbart ange­ ordnet ist und
daß in der Auswerteeinheit (13) fortlaufend die Häufig­ keit z der in der mit dem Sensor (5) versehenen Funkenstrecke innerhalb eines jeden Meßzyklus' stattfindenden Funkenent­ ladungen durch Quotientenbildung in Relation gesetzt wird zur Gesamtmenge z _o der vom Hochspannungsgenerator (7) aus­ gelösten Funkenentladungen während eines jeden Meßzyklus' und aus dem Quotient z/z _o in einem Schaltglied (10) der Auswerteeinheit (13) das von der Abweichung vom SOLL-Abstand abhängige Signal gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl für die Meßfunkenstrecke (MF) als auch für die Referenzfunkenstrecke (RF) dieselbe Hochspannungselektrode (1) Verwendung findet, wobei die Referenzelektrode (2) gegenüber der Hochspannungselektrode (1) in einem dem SOLL- Abstand entsprechenden Abstand (P) fest angeordnet ist und die Hochspannungselektrode (1) sowohl für die Referenz­ funkenstrecke (RF) als auch für die Meßfunkenstrecke (MF) - in deren Stromkreis der Sensor (5) angeordnet ist - einen im gleichen Gasraum (14) liegenden gemeinsamen Fußpunkt (1.1) bildet (Fig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßfunkenstrecke (MF) eine erste Hochspannungs­ elektrode (1) und für die Referenzfunkenstrecke (RF) eine der ersten Hochspannungselektrode (1) elektrisch parallel geschaltete und geometrisch fest mit dieser verbundene zweite Hochspannungselektrode (6) Verwendung findet, wobei die Re­ ferenzelektrode entweder durch die Masseelektrode (3.1) oder eine separate Referenzmasseelektrode (3.2) gebildet ist und die Fußpunkte (1.1, 6.1) der beiden Hochspannungselektroden (1, 6) so angeordnet sind, daß sie für die Referenz- und Meß­ funkenstrecke im gleichen Gasraum (14) liegen und wobei der Sensor (5) einen unmittelbaren Bestandteil der ersten Hoch­ spannungselektrode (1) bildet (Fig. 2).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode(n) (1, 6) mechanisch und elektrisch isoliert mit dem Gegenstand (4) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasraum (14) der Funkenstrecken (MF, RF) mittels eines Mediums angeströmt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (13) der Vorrichtung einen Zähler (8) aufweist, dessen Eingang mit einem Oszillator (7.2) des Hochspannungsgenerators (7) und dessen Ausgang sowohl mit einem Decoder (10) als auch mit einem weiteren Zähler (9) verbunden ist, dessen Eingang wiederum mit dem Sensor (5) verbunden ist, wobei der Zähler (8) den Meßzyklus fest­ legt und die Gesamtmenge z _o der Funkenentladungen während dieses Meßzyklus' erfaßt und der Zähler (9) die Häufigkeit z der vom Sensor (5) erfaßten Funkenentladungen während des Meßzyklus' registriert und an den Decoder (10) überträgt, welcher den Quotient z/z _o bildet und anhand einer ge­ speicherten Abhängigkeitsfunktion ein der Abweichung (X-P) entsprechendes Signal bildet.