DE69100326T2 - Verfahren und Vorrichtung für kontaktlose Weg- oder Positionsmessung. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung für kontaktlose Weg- oder Positionsmessung.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Messung der Bewegung und/oder der Stellung eines beweglichen Teils bezüglich eines zweiten Teils durch Lesen eines Musters mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften des Untergrundes mittels eines magnetischen Lesekopfs.
  • Ähnliche Messvorrichtungen sind bereits bekannt. EP-A1- 0'027'308 beispielsweise offenbart eine magnetische Skala zur Messung einer Bewegung, die einen lokal magnetisierten magnetischen Untergrund aufweist. FR-A-2'030'713 beschreibt ein an sich wohlbekanntes Magnetband, beispielsweise für Kassetten-Aufzeichnungsgeräte, mit im Abstand voneinander angeordneten codierten Informationen. In "IBM Technical Disclosure Bulletin" Vol. 6, Nr. 2, Juli 1963 wird auf Seite 14 die Tatsache erwähnt, dass ein nichtmagnetisches Material wie Nickel mit einer Kanigan-Beschichtung durch Erhitzen auf ca. 400º C magnetisiert werden kann.
  • DE-A1-1 623 242 offenbart ein Messystem auf Grundlage der Abtastung eines Magnetfeldes, welches in Längsrichtung stetig zunimmt.
  • EP-A1-0 310 543 schliesslich beschreibt ein magnetisches Muster in der Oberflächenschicht eines magnetischen Untergrundes, wobei sich die magnetische Kraft des Musters von derjenigen des Untergrundes unterscheidet.
  • Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Messverfahren zu schaffen, welche einfacher sind als die bekannten Systeme und deren Nachteile und Unzulänglichkeiten vermeiden.
  • Die Messvorrichtung, das Messverfahren und das Herstellungsverfahren der Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung sind Gegenstand unabhängiger Ansprüche, während besondere Ausführungen in den abhängigen Ansprüchen umschrieben sind.
  • Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung soll zunächst allgemein beschrieben werden.
  • Die in dieser Beschreibung verwendeten Begriffe "ferromagnetisch" und "magnetisierbar" sind gemäss ihrer Definition in der Literatur zu verstehen, beispielsweise in "Elektrotechnik für Praktiker", H.R. Ris, Buchverlag Elektrotechnik Aarau 1990, S. 209. Gemäss dieser Definition und in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Gebrauch dieser Begriffe schliessen diese im Sinne der Erfindung sowohl die weichmagnetischen Legierungen auf Eisenbasis mit niedriger Koerzitivität als auch die hartmagnetischen ein, wobei diese beiden Legierungen durch Verminderung der Nichtmetallkonzentration und durch die daraus folgende Destabilisierung der austenitischen Struktur gebildet werden können.
  • Da die Stabilität der austenitischen Struktur durch die Anwesenheit eines Nichtmetalls in Zwischengitterlösung gewährleistet ist, wird das Muster mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften durch eine hochintensive örtliche Erhitzung erzeugt, welche eine Verminderung dieses Nichtmetalls im erhitzten Bereich und damit eine örtliche Destabilisierung der nichtmagnetischen austenitischen Struktur zugunsten einer ferromagnetischen ferritischen Struktur bewirkt. Wenn das Muster in der Oberfläche des einen der zwei Teile beispielsweise aus einer Abfolge von nichtmagnetischen austenitischen und ferromagnetischen ferritischen Bereichen besteht, ist es möglich, die Bewegung des bewegten Teils mit Hilfe eines (an sich bekannten) reversiblen Zählers schrittweise zu messen, der die durch den Lesekopf beim Abtasten des Musters erzeugten Impulse zählt (Fig. 1).
  • Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass durch aufeinanderfolgende Ableitung der Bewegung nach der Zeit Geschwindigkeit und Beschleunigung des beweglichen Teils bestimmt werden können.
  • Falls das Muster zudem aus einer bestimmten Codierung besteht, kann mit Mehrfach-Leseköpfen die absolute Position des beweglichen Teils festgestellt werden.
  • Das Muster kann auf einer Stange angebracht sein, um geradlinige Bewegungen festzustellen, oder auf einer Scheibe, um Winkelbewegungen festzustellen.
  • Die oben erwähnte Codierung beschränkt sich nicht nur auf die Bestimmung von Grössen wie Stellung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung, sondern erlaubt auch die Codierung des Organs der Maschine, welches das Signal sendet, beispielsweise die Nummer des Zylinders oder Schiebers, die Nummer des Fühlers, den maximalen Weg oder andere Parameter, die eine Erkennung der Vorrichtung gestatten. Es kann auch ein Sicherheitscode notwendig sein, um zu gewährleisten, dass die Messskala mit dem richtigen Lesekopf gekoppelt ist. Diese Codierung in binärer Form kann entweder parallel zur Skala oder am Anfang oder am Ende des Wegs des beweglichen Teils angebracht sein.
  • Es gibt Messverfahren, bei welchen die magnetische Information beispielsweise in Form eines an der Oberfläche eines der Teile befestigten Magnetbandes vorhanden ist. Ein solcher Träger kann jedoch nur hinzugefügt werden, wenn er die Funktion oder den Betrieb des betreffenden Teils nicht behindert, was zum Beispiel dann der Fall wäre, wenn dieser Teil die Stange eines hydraulischen oder pneumatischen Kolbens ist.
  • Andererseits gibt es ein Verfahren, bei welchem dieser Nachteil vermieden wird und welches ein Anbringen eines Trägers für das Magnetmuster an der Oberfläche des betreffenden Teils nicht erfordert; dieses Verfahren besteht darin, dass die Oberfläche aus gewöhnlichem ferromagnetischem Stahl besteht, der mit einem Laserstrahl behandelt wird, der eine örtliche Erhitzung bewirkt und damit Bereiche erzeugt, beispielsweise Punkte oder Striche, welche rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Teile liegen und andere magnetische Eigenschaften als der Untergrund aufweisen.
  • Bei diesem Verfahren ist festzustellen, dass die Übergänge weniger deutlich sind, und dass die Informationen auf diesem magnetischen Untergrund schwierig zu lesen sind.
  • Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Unzulänglichkeiten vermieden werden, indem ein nichtmagnetischer Untergrund in Form eines austenitischen Stahls verwendet wird, in dessen Oberfläche eine Markierung oder ein Muster mit ferromagnetischer ferritischer Struktur erzeugt wird, wodurch solche Bereiche leicht erkennbar sind.
  • Es ist vorgesehen, diese Markierung mittels einer örtlichen, scharf lokalisierten Erhitzung anzubringen, was mit einem Laserstrahl, einem Elektronenstrahl, einem Ionenstrahl, einem Lichtbogen oder einer kurzzeitigen elektrischen Entladung oder dergleichen möglich ist. Bei dieser Technik sind die Breite und die Tiefe einer Markierung normalerweise in der gleichen Grössenordnung.
  • Dadurch, dass die Erfindung eine nichtmagnetische Grundstruktur vorsieht, können sehr feine und sehr dichte Markierungen gelesen werden, und eine sehr hohe Auflösung des Messverfahrens wird möglich.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Tatsache, dass der Teil mit dem ferromagnetischen Muster ein integrierender Bestandteil einer Maschinenvorrichtung sein kann.
  • Es ist bekannt, dass bestimmte Eisenlegierungselemente eine starke Einwirkung auf die Struktur der Legierung aufweisen, indem sie eine Stabilisierung entweder der ferritischen oder der austenitischen Struktur bewirken. Bei diesen Elementen handelt es sich bevorzugt um Stickstoff und Kohlenstoff in Zwischengitterlösung im Eisen. Diese beiden Elemente haben einen sehr ausgeprägten Einfluss auf die Ausdehnung des Vorhandenseins von Austenit. Aus diesem Grund wurden im Zweiten Weltkrieg Stähle mit hohem Stickstoffgehalt entwickelt, um knappes Nickel einzusparen.
  • Der Zusatz von Nichtmetallen zu Stählen hat auch andere Gründe: Sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff in Zwischengitterlösung erhöhen die Härte bzw. die Elastizitätsgrenze und die Zugfestigkeit der Stähle, aber im Gegensatz zum Kohlenstoff führt der Zusatz von Stickstoff zu einer weniger grossen Zähigkeitseinbusse.
  • Deshalb erhält man bei Verwendung eines rostfreien Stahls mit beispielsweise 18% Chrom, 18% Mangan und unter Zugabe von 0,5% Stickstoff und weniger als 0,05% Kohlenstoff einen Stahl, dessen kombinierte Zugfestigkeit und Zähigkeit praktisch ein Maximum des heute Erreichbaren darstellen.
  • Wenn der Stickstoffgehalt unter 0,45 - 0,48% liegt, wird die austenitische Struktur durch eine ferritische ersetzt, bzw. der Austenit verwandelt sich in Ferrit, wenn Stickstoff entzogen wird, beispielsweise durch Diffusion infolge örtlicher Erhitzung.
  • Darüberhinaus bewirkt der Stickstoff eine Erhöhung der Verformungsfestigkeit und der Korrosionsfestigkeit, wodurch ein solcher Stahl in einer stark belasteten mechanischen Vorrichtung durchaus verwendbar ist.
  • Eine andere Eigenschaft der Nichtmetalle Kohlenstoff und Stickstoff besteht darin, dass deren Dissoziation aus der Zwischengitterlösung sowie deren Diffusionskoeffizient auf Grund des relativ geringen Atomvolumens deutlich höher ist als bei den meisten Eisenlegierungselementen, wodurch die Erzeugung von Markierungen zur Bildung des ferromagnetischen Musters erleichtert wird.
  • Nichtmagnetische Legierungen mit hohem Chromgehalt weisen im weiteren ein interessante Eingenschaft auf, welche sich vom normalen Löslichkeitsverhalten von Gasen in Metallen unterscheidet. Normalerweise steigt die Löslichkeit eines Gases in einem Metall mit der Temperatur und besonders beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand. Beim Stickstoff verhält es sich in diesen Legierungen umgekehrt: die Löslichkeit nimmt mit steigender Temperatur im festen Zustand ab, sie nimmt weiterhin beim Schmelzen ab und nimmt auch beim Überhitzen des flüssigen Metalls weiter ab.
  • Der Wirkungsgrad der Bildung von magnetischen Markierungen im nichtmagnetischen Untergrund durch Erhitzung kann weiter erhöht werden, wenn ein Konzentrationsunterschied des Nichtmetalls zur Oberfläche des Teils hin erzeugt wird. Das bedeutet, dass die Diffusionsgeschwindigkeit in Richtung der Oberfläche erhöht wird, wenn das unter der Einwirkung der Erhitzung frei werdende Nichtmetall ständig von der erhitzten Oberfläche entfernt wird. Dies kann erreicht werden, indem dem Nichtmetall durch Schaffung einer nichtmetallarmen Atmosphäre die Möglichkeit gegeben wird, den erhitzten Oberflächenbereich zu verlassen, im Fall des Stickstoffs beispielsweise durch ein Vakuum oder eine stickstofffreie Edelgasatmosphäre, und im Fall des Kohlenstoffs durch eine oxidierende Atmosphäre, welche den Kohlenstoff in CO oder CO&sub2; umformen kann, die jedoch nicht agressiv genug ist, um eine merkliche Oxidation der ganzen Oberfläche hervorzurufen, oder durch eine reduzierende Atmosphäre (H&sub2;), um den Kohlenstoff in Methan oder dergleichen umzuwandeln.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen noch näher erläutert, in welchen
  • Fig. 1A und 1B schematisch das Funktionsprinzip der Erfindung zeigen,
  • Fig. 2 eine erste Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens (erste Vorrichtung) zeigt,
  • Fig. 3 eine zweite Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens (zweite Vorrichtung) zeigt,
  • Fig. 4 eine dritte Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens (dritte Vorrichtung), und
  • Fig. 5 eine Anwendung zur Winkelmessung (vierte Vorrichtung) zeigen.
  • Fig. 1A und 1B zeigen sehr schematisch das erfindungsgemässe Prinzip der Abtastung von Codierungen.
  • Wenn sich der Luftspalt 17 eines Lesekopfs 16, der Teil eines magnetischen Kreises ist, über einem Teil 13 aus nichtmagnetischem austenitischen Stahl befindet, genauer über einem nicht markierten Bereich 13A, dann weist das Magnetfeld Φ, dargestellt durch magnetische Kraftlinien 9, eine bestimmte Stärke auf. Wenn sich der Luftspalt 17 hingegen über einer ferromagnetischen ferritischen Markierung 14 befindet, so wird ein Teil 9B der magnetischen Kraftlinien im Luftspalt 17 in die Markierung 14 abgelenkt. Die im Luftspalt 17 verbleibenden magnetischen Kraftlinien 9A weisen eine geringere Dichte auf, wodurch im Lesekopf 16 eine Änderung des magnetischen Flusses hervorgerufen wird, die von einer geeigneten elektrischen Wicklung erfasst werden kann.
  • In Fig. 2 ist der Fall dargestellt, wo die Bewegung oder aber die Geschwindigkeit oder Beschleunigung der geradlinigen Bewegung gemäss dem Pfeil 11 von zwei Teilen 10 und 12 gemessen werden soll, von welchen das eine bezüglich des anderen beweglich ist. Das Teil 12 besitzt einen nichtmagnetischen Bereich 13 aus austenitischem Stahl, dessen Oberfläche ferromagnetische Markierungen 14 aus ferritischem Stahl aufweist, die ein bestimmtes Muster bilden und durch örtliche Erhitzung der Oberfläche des Teils 12 erzeugt sind.
  • Das Teil 10 weist einen magnetischen Lesekopf 16 auf, dessen Luftspalt auf das magnetische Muster der Markierungen 14 gerichtet ist. Bei der Verschiebung des Teils 10 bezüglich des Teils 12 bewirken die ferromagnetischen Marken 14 eine Änderung der Induktion im Luftspalt 17 und damit eine Störung des Magnetkreises des Kopfs 16. Diese Störung kann erfasst werden mit Elementen, welche auf Änderungen des Magnetfeldes ansprechen, beispielsweise mit einem Hallelement oder einer Feldplatte in Verbindung mit einem Permanentmagneten. Das Analogsignal am Ausgang des Kopfs 16 wird in elektrische Impulse umgeformt, beispielsweise mit einem Schmitt-Trigger 18. Diese elektrischen Impulse werden dann an eine Zählerelektronik 19 weitergegeben. Die Anzahl dieser Impulse oder deren Ableitungen nach der Zeit bestimmen die Grösse der Bewegung bzw. deren Geschwindigkeit oder Beschleunigung.
  • In Fig. 3 ist eine zweite praktische Anwendung dargestellt. Die Markierungen 14 sind auf einer Kolbenstange 14 angebracht, welche mit einem Kolben 22 verbunden ist, der sich gemäss dem Pfeil 11 in einem hydraulischen Zylinder 20 bewegt. Die Kolbenstange 24 kann über das Auge 26 mit anderen mechanischen Teilen verbunden sein. Der Lesekopf 16 arbeitet auf die oben beschriebene Weise mit den Markierungen 14 zusammen.
  • In Fig. 4 ist die Steuerung eines Schiebers 30 in einer Rohrleitung 32 dargestellt. Die hydraulische, pneumatische, elektrische oder mechanische Betätigungsvorrichtung 28 steuert die Schieberstange 24, welche das ferromagnetische Muster trägt, dessen Bewegung gemäss dem Pfeil 11 vom Lesekopf 16 gelesen wird. Durch Zählung der durch die Bewegung der Markierungen 14 bezüglich des Lesekopfs 16 erzeugten Impulse kann die Öffnung des Schiebers ferngesteuert festgestellt werden.
  • Fig. 5 zeigt schliesslich die Bestimmung der Stellung oder der Geschwindigkeit einer Welle 36, welche zu diesem Zweck eine austenitische Scheibe 34 mit ferromagnetischen Markierungen 14 aufweist. Der Durchgang dieser Markierungen vor einem Lesekopf 16 gibt Aufschluss über die Drehbewegung der Scheibe 34 und damit der Welle 36 gemäss dem Pfeil 38.
  • Mit der Summe der oben beschriebenen Eigenschaften wird das Ziel der Erfindung erreicht, nämlich die Erzeugung eines örtlichen ferromagnetischen Musters auf einem nichtmagnetischen Untergrund.

Claims (22)

1. Messvorrichtung zur kontaktlosen Messung der geradlinigen oder winkelmässigen Beziehung eines beweglichen Teils zu einem anderen Teil durch Lesen eines ferromagnetischen Musters, dadurch gekenzeichnet, dass sie ein ferromagnetisches Muster auf einem nichtmagnetischen Untergrund aufweist, der zu einem der zwei Teile gehört, von welchen der eine in bezug auf den anderen beweglich ist, sowie einen in den anderen Teil eingebauten magnetischen Lesekopf, der zur Erfassung des ferromagnetischen Musters eingerichtet ist, und dass der nichtmagnetische Untergrund des Teils mit dem ferromagnetischen Muster ein nichtmagnetischer austenitischer Stahl ist und das ferromagnetische Muster aus Bereichen besteht, die durch Diffusion eines Nichtmetalls in Zwischengitterlösung erzeugt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Muster einen integrierenden Bestandteil einer Maschine bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem eine Codierung von zusätzlichen Daten ausser der Verschiebung eines Teils gegenüber dem anderen aufweist, wobei diese Codierung zusätzlicher Daten ein ferromagnetisches Muster auf nichtmagnetischem Untergrund enthält.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung von zusätzlichen Daten ein Kennzeichnungscode ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Codierung von zusätzlichen Daten ein Sicherheitscode ist.
6. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Muster durch eine örtliche thermische Behandlung eines Untergrunds aus austenitischem Stahl gemäss dem gewünschten Muster erzeugt wird, der durch ein Nichtmetall in Zwischengitterlösung stabilisiert ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichtmetall Stickstoff in Zwischengitterlösung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nichtmetall Kohlenstoff in Zwischengitterlösung ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die örtlich erhitzte Oberfläche des austenitischen Stahls in Berührung mit einer am betreffenden Nichtmetall armen Atmosphäre gebracht wird, wobei das Nichtmetall den erhitzten Bereich durch Diffusion mit nachfolgender Migration in die genannte Atmosphäre verlässt.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre einen niedrigen Stickstoff- Partialdruck aufweist, der entweder durch Vakuum oder durch die Anwesenheit eines anderen Edelgases als Stickstoff erzeugt wird.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre einen Sauerstoff-Partialdruck aufweist, der geeignet ist, den durch Diffusion an die Oberfläche gebrachten Kohlenstoff in Kohlenmonoxid umzuwandeIn, jedoch nicht genügend aggressiv, um eine wesentliche Oxidation der Stahloberfläche hervorzurufen.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre einen Wasserstoff-Partialdruck aufweist, der den durch Diffusion an die Oberfläche gebrachten Kohlenstoff in Methan umwandelt.
13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche thermische Behandlung mit einem Laserstrahl erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche thermische Behandlung mit einem Elektronenstrahl erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche thermische Behandlung mit einem Ionenstrahl erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche thermische Behandlung mit einem Lichtbogen erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die örtliche thermische Behandlung durch eine kurzzeitige elektrische Entladung erfolgt.
18. Verfahren zur kontaktlosen Messung der geradlinigen oder der winkelmässigen Beziehung eines beweglichen Teils zu einem anderen Teil durch Lesen eines ferromagnetischen Musters mit Hilfe der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Teil den magnetischen Lesekopf enthält und der andere Teil das ferromagnetische Muster auf nichtmagnetischem Untergrund aufweist, und dass der nichtmagnetische Untergrund des Teils mit dem ferromagnetischen Muster ein austenitischer, nichtmagnetischer Stahl ist und das ferromagnetische Muster aus Bereichen besteht, welche durch Diffusion eines Nichtmetalls in Zwischengitterlösung erzeugt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder der andere Teil zu einer mechanischen Vorrichtung gehört, und dass die Stellung und/oder die Verschiebung, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Teils zu messen sind.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmagnetische Untergrund aus einem austenitischen Stahl besteht, dessen Struktur durch Zugabe eines Nichtmetalls stabilisiert ist.
21. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die geradlinige Stellung, Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung eines Teils in bezug auf den anderen gemessen wird.
22. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung, -verschiebung, -geschwindigkeit oder -beschleunigung eines Teils in bezug auf den andern gemessen wird.
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