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Vorrichtung zur Bestimmung von Relativbewegungen bewegter Teile Für
die Drehzahlmessung ist es bekannt, die Bewegung eines sich drehenden Teiles über
einen elektrischen Geber in eine elektrische Größe umzuwandeln, die zur Anzeige
verwendet wird Die.bekannten Vorrichtungen dieser Art setzen jedoch eine bestimmte
hohe Drehzahl voraus, die nur dann untersdhritten werden kann, wenn zusätzliche
Reibscheibenübersetzungen die vorhandene Grunddrehzahl erhöhen. Die Anzahl der Übersetzungen
ist jedoch begrenzt, weil jede Ubersetzung zusätzliche Fehler in der Meßvorrichtung
hervorruft. Sind die zu-messenden Drehzahlabweichungen sehr klein, z. B. I °/o,
wie dies beispielsweise bei der Relativmessung von Bewegungen der Fall ist, und
ist die vorhandene Drehzahl sehr gering, z. B.
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0,5 Umdr./Min., dann können die bekannten Vorrichtungen nicht mehr
für eine exakte Fehlermessung angewendet werden, weil durch die erforderlichen Reibscheibenübersetzungen
größere Fehler entstehen als gemessen werden sollen. Für die absolute Drehzahlmessung
ist die Verwendung eines veränderbaren elektrischen Kondensators nach Art eines
Drehkondensators mit gegeneinander verstellbaren Kondensatorbelegungen bekannt.
Hierbei wird nur die eine Kondensatorbelegung angetrieben, während die andere Belegung
feststeht. Es entsteht eine periodische Kapazitätsänderung, deren Frequenz zur Drehzahlmessung
ausgenutzt wird,
wobei das Maß der Kapazitätsänderung und der Kapazitätswert
keine Rolle spielen. Bei der bekannten Vorrichtung wird in einer Meßschaltung die
vom Kondensator erzeugte Modulationsfrequenz bestimmt. Eine Messung von Relativbewegungen
ist durch die bekannte Verwendung eines veränderbaren elektrischen Kondensators
nicht möglich.
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Derartige Relativbewegungen hat man bisher bei einem bekannten Zahnradprüfgerät
mit Hilfe eines elektrischen Meßkopfes gemessen, der einen verstellbaren Widerstand
enthält und bei Auftreten von Relativbewegungen verstellt wird, wobei er den Strom
in einem elektrischen Stromkreis verändert. Damit kann nur eine außerordentlich
grobe Messung durchgeführt werden, da lediglich kleine Stromänderungen erzielbar
sind und bei der Betätigung des Meßkopfes zur Überwindung der Reibung verhältnismäßig
große Kräfte aufgewendet werden müssen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Relativbewegungen
bewegter Teile unter Verwendung eines veränderbaren elektrischen Kondensators nach
Art eines - Drehkondensators od. dgl. mit gegeneinander verstellbaren Kondensatorbelegungen
und vermeidet die Mängel der eingangs erläuterten bekannten Vorrichtungen dadurch,
daß die einzelnen Kondensatorbelegungen von verschiedenen bewegten Teilen mit untereinander
gleicher Nenngeschwindigkeit gleichsinnig angetrieben werden, so daß sie sich nu'r
bei Relativbewegungen der Teile gegeneinander verstellen, und daß die hierdurch
bewirkte Kapazitätsänderung des Kondensators, in an sich bekannter Weise gemessen,
als Maß für die Relativbewegung der Teile dient. Während bisher die veränderbaren
Kondensatoren für die absolute Drebzahimessung verwendet wurden, wird es durch die
Erfindung ermöglicht, diese Kondensatoren für die Relativmessung einzusetzen und
eine Meßvorrichtung zu schaffen, die außerordentlich empfindlich ist und völlig
reibungslos und trägheitslos arbeitet. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann derart
ausgestaltet werden, daß zur Bestimmung der Relativbewegung drehender Teile bei
Zahnradbearbeitungsmaschinen od. dgl. ein Drehkondensator mit zwei gegeneinander
dre'hbaren Plattensätzen angeordnet ist, die bei gleicher Drehgeschwindigkeit der
Teile unmittelbar mit den Teilen bzw. deren Wellen mechanisch verbunden, vorzugsweise
direkt auf die Teile bzw. Wellen aufgesetzt sind; während sie bei ungleicher Drehgeschwindigkeit
der Teile unter Zwischenschaltung von Übersetzungen, wie Reibscheibengetriebe od.
dgl., mit den Teilen verbunden sind, derart, daß die Kondensatorbelegungen mit gleicher
Nenndrehzahl gleichsinnig angetrieben werden. Man kann dabei so vorgehen, daß der
eine Plattensatz des Drehkondensators mittels eines Isolierringes an der Welle eines
drehenden Teiles bebefestigt ist und der andere Plattensatz mit einer Hohlwelle
verbunden ist, die um die erstgenannte Welle drehbar ist und von der Welle eines
anderen drehenden Teiles über ein Reibradgetriebe od. dgl. angetrieben wird. Vorzugs.weise
wird dies bei der Zahnradprüfung in der Weise verwirklicht, daß bei einem an sich
bekannten Zahar43dprüfgerät mit Reibscheibengetriebe und Lehrzahnrad, in das ein
Prüfzahnnad eingreift, ein Plattensatz des Drehko'ndensators mit der Welle des Prüfzahnrades
und der andere Plattensatz mit einer Hohlwelle verbunden ist, die die Welle des
Prüfzahnrades umgibt und mit einer Reibscheibe des Reibscheibengetriebes verbunden
ist. Die Empfindlichkeit der MeB-vorrichtung kann durch Einsatz an sich bekanuter
und sehr genauer Kapazitätsmeßverfahren außerordentlich gesteigert werden, beispielsweise
dadurch, daß zur Messung der Kapazität des veränderbaren Kondensators eine an sich
bekannte Überlagerungsschaltung dient, bei der durch Überlagerung einer Festfrequenz
und einer durch den Kondensator veränderbaren Frequenz eine Schwebung erzeugt wird,
deren Frequenz zur Bestimmung der Relativbewegung der Teile, gegebenenfalls nach
Umwandlung in elektrische Strom-oder Spannungswerte, dient. Die bei Relativbewegungen
der Teile bewirkte Kapazitätsänderung kann auch zur Nachlaufsteuerung wenigstens
eines der Teile über ein Differentialgetriebe od. dgl. dienen, z. B. bei Zahnradbearbeitungsmascbinen
zur Nachlaufsteuerung des Werkstückes oder des Werkzeuges.
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Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind an Hand von
Zeichnungen erläutert, und zwar zeigt Fig. I eine einfache Vorrichtung nach der
Erfindung zur Messung der Relativbewegung zweier Wellen in Seitenansicht, Fig. 2
eine Meßschaltung für die Vorrichtung nach der Erfindung in Blockdarstellung, Fig.
3 eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung mit Ankopplung des Kondensators über
eine Hohlwelle im Vertikalschnitt, nFig. 4 ein bekanntes Zahnradprüfgerät mit Tastkopf
in Seitenansicht, Fig. 5 dieses ZahBradprülf,geräst in Stirnansicht und Fig 6 dieses
Zahnradprüfgerät mit einer Vorrichtung nach der Erfindung.
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Bei den als Ausführungsbeispiele genannten Zahnradherstellungsmaschinen
treten zwischen Werkstück und Werkzeug Relativbewegungen auf, die sich als Teilungs-
und Zahnformfehler an den fertiggestellten Zahnrädern abbilden. Die Fehler betragen
1 jc bis 1o als Längenmaß gemessen.
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Die Drehzahlen der Maschinen betragen durchschnittlich 0,5 Umdr./Min.
und werden des öfteren auf o,I Umdr./Min. eingestellt. Bei anderen Maschinen, z.
B. Papiermaschinen, wirken sich die Relativbewegungen in einer unterschiedlichen
Dicke des Papiers aus und es entstehen Riefen im Papier. Die Ursache der Relativbewegungen
zwischen zwei oder mehreren Bewegungen liegt meist in Ungenauigkeiten von Getriebezahnrädern,
und diese treten auch dann auf, wenn ein gemeinsamer Antriebsmotor vorgesehen wird
und die Abtriebe über Kegel- und Stirnräder getrennt werden.
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Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 sind zwei Wellen I und II, beispielsweise
zwei Aufspann-
dorne einer Zaharadmaschine, gleichachsig zueinander
angeordnet. In dieser Weise ist beispielsweise eine Zahnradstoßmaschine ausgebildet.
Zwisehen den Wellen I und II ist ein Drehkondensator so angeordnet, daß dessen Rotor
a mit der Welle I und der Stator b mit der Welle II fest verbunden ist, oder umgekehrt.
Beide Wellen werden im gleichen Richtungssinn in einem Drehzahlverhältnis 1 : 1
in Bewegung gesetzt. Treten bei dieser Bewegung der Wellen, deren Drehzahl beliebig
sein kann, keine Relativbewegungen zwischen WelleI und Welle II auf, also bei vollkommen
gleichförmigem Lauf, dann ändert sich auch die Stellung des Rotors zum Stator am
Drehkondensator nicht.
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Bei kleinsten Relativbewegungen zwischen Welle I und II dagegen ändert
sich sofort und ohne Trägheit die Stellung des Rotors zum Stator und die Kapazität
des Kondensators wird vergrößert oder verkleinert. Diese Kapazitätsänderung wird
auf elektrischem Wege gemessen, und zwar derart, daß der D rehkondensator mit einem
Schwingungskreis zusammen geschaltet wird, der eine Hochfrequenz auch bei kleinstem
Drehweg des Kondensators erheblich verändert.
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Die Frequenzänderung kann g.eeicht werden und beträgt nach praktischen
Versuchen das Io- bis Ioofache der kleinsten Wegänderung des Drehkondensators. Die
in Fig. 2 dargestellte Meßschaltung'enthält einen Schwingungskreis am Drehkondensator.
Ein zweiter Generator liefert eine hochfrequente Trägerfrequenz, die in einer anschließenden
Mischstufe der Frequenz des Schwingungskreises überlagert wird, so daß eine Tonfrequenz
entsteht. Dadurch wird die Genauigkeit des Meßverfährens erhöht und eine bessere
Ablesegenauigkeit erreicht. Die Tonfrequenz wird in einer Niederfrequenzverstärkerstufe
verstärkt und die Meßwerte werden in Gleichstrom oder Gleichspannung umgewandelt
und können wahlweise angezeigt, registriert oder akustisch wiedergegeben werden.
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Sollen Relativbewegungen zwischen zwei oder mehreren Teilen gemessen
werden, die nicht im Verhältnis I: I bewegt werden können, wie dies beispielsweise
oft bei Zahnrad-Abwälzfräsmaschinen der Fall ist, dann wird nach Fig. 3 auf die
Welle I (oder II) eine Reibscheibe I aufgesetzt und fest mit der Welle verbunden.
Auf die andere Welle, z. B. II, wird eine Reibscheibe 2 mit einer Hohlwelle aufgesetzt.
Präzisionsrollen sorgen für einen einwandfreien Rundlauf der Reibscheibe 2.
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Die Durchmesser der Reibscheiben richten sich hierbei nach dem Übersetzungsverhältuis
der Umdrehungszahlen zwischen Welle I und Welle II. Der Stator a des Drehkondensators
wird beispielsweise mit der Reibscheibe 2 und damit über die Reibscheibe I mit der
Welle I direkt verbunden. Der Rotor b des Drelikondensators wird beispielsweise
direkt mit der Welle II verbunden.
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Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung kann mit Vorteil auf die bekannten
und in Fig. 4 und 5 dargestellten Zahnradabrollprüfgeräte übertragen werden. Diese
bekannten Geräte nach Fig. 4 und 5 besitzen auf einer gemeinsamen Welle I ein Antriebsschneckenrad
3, eine Reibscheibe 2 und ein Lehrzahnrad 4. Ein Prüfzahnrad 5 steht im Eingriff
mit dem Lehrzahnrad- 4. Von der Reibscheibe 2 wird über eine Reibscheibe 1, die
-fest auf einer Hohlwelle sitzt, eine gleichförmige Bewegung erzeugt. Diese gleichförmige
Bewegung der Hohlwelle wird mit der Bev-egting- einer zweiten Welle II, auf der
das Prüfzahnrad 5 fest sitzt, verglichen. Änderungen in der Bewegung zwischen der
Hohlwelle und der Welle II, die das Prüfzahnrad 5 trägt, also die Relativbeßyegungen
zwischen den beiden Wellen, entstehen durch Winkelgeschwindigkeitsänderungen, die
durch das Prüfzahnrad 5 verursacht werden. Mit der Hohlwelle ist ein Tastkopf 6
fest. verbunden, der federnd auf einen He- -bel 7 einwirkt, der mit der anderen
Welle II fest verbunden ist. Die Anderungen tdes Tastkopfes werden induktiv in elektrische
Meßgrößen umgewandelt. Aus Fig. 5 sind die Änderungen der Winkelgeschwindigkeit
oder die Relativbewegungen zwischen den Übertragungsgliedern, nämlich dem Hebel
7 und dem Tastkopf 6, ersichtlich. Der Übertragungshebel 7 ist fest mit der Welle
II verbunden, die das Prüfzahnrad 5 trägt. Auf -dieser Welle ist mittels Kugeln
oder Kugellagern die Hohlwelle mit der Reibscheibe I gelagert, an der über einen
weiteren Hebel der Tastkopf 6 init Magnetsystem befestigt ist. Treten bei der Bewegung
des Prüfzahnrades 5 keine Relativbewegungen zwischen diesem und dem Reibscheibengetriebe
I, 2 auf, dann beschreibt der Punkt 8, an dem der Tastkopf 6 mit dem Hebel 7 in
Berührung steht, einen konstanten Kreisbogen. Die Tasterspitze verbleibtgenau auf
derselben Stelle auf dem Hebel 7. Tritt nun eine Relativbewegung ein, die sich nur
an der Welle II bemerkbar macht, die das Prüfzahnrad 5 trägt, dann nähert oder entfernt
sich der Hebel von der Tasterspitze. Die Tasterspitze wirkt federnd auf den Hebel
ein und folgt der Bewegung dieses Hebels. Dabei beschreibt die Tasterspitze die
Tangente an den gezeigten Kreisbogen und gleitet auf dem Hebel um das Maß x nach
außen. Wegen der dabei auftretenden Reibung arbeitet diese Meßvorrichtung nicht
trägheitslos. Das in Fig. 6 gezeigte, gemäß der Erfindung ausgebildete Zahnradprüfgerät
vermeidet diese Mängel. Von einem Motor wird hier eine Schnecke 3 und von dieser
ein Schneckenrad angetrieben. Das Schneckenrad ist zusammen mit der Reibscheibe
2 und dem Lehrzahnrad 4 auf einer gemeinsamen Welle I fest angeordnet. Auf einer
zweiten Welle II sitzt fest mit dieser verbunden das Prüfzahnrad 5 und eine Belegung
des Drehkondensators, z. B. der Rotor b.
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Die Reibscheibe 1, die sich auf der Reibscheibe 2 abrollt, ist mit
einer Hohlwelle verbunden, an der die andere Belegung des Drehkondensators, z. B.
der Stator a, befestigt ist. Die Hohlwelle ist auf der Welle II gelagert, die das
Prüfzahnrad 5 trägt. Die Reibscheiben 1 und 2 sind auswechselbar. Der Durchmesser
der Reibscheiben richtet sich nach dem Teilkreisdurchmesser der Zahnräder. Bei Winkelgeschwindiglçeitsänderungen
treten Relativ-
bewegungen zwischen der Hohlwelle und der Welle
mit dem Prüfzahnrad auf, und der Stator und der Rotor des Dre'hkondensators verstellen
sich gegeneinander. Damit.werden ohne Hebelübersetzungen und vollkommen trägheitslos
die Relativbewegungen zwischen Stator und Rotor in Kapazitätsänderungen umgesetzt,
die auf elektrischem Wege in der bereits erläuterten Weise angezeigt, registriert
und akustisch wiedergegeben werden können.
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Die Ausnutzung der so gewonnenen elektrischen Meßwerte für Regel
zwecke wird im folgenden am Beispiel einer Zahnradherstellungsmaschine erläutert.
Bei diesen Maschinen ergeben sich eine oder rnehrere Relativbewegungen zwischen
Werkzeug und Werkstück. Der Antrieb erfolgt über einen gemeinsamen Antriebsmotor.
Anschließend wird über Kegel- und Stirnräder einmal das Werkzeug und andererseits
das Werkstück angetrieben. Durch zwischengeschaltete Zahnräder entstehen Relativbewegungen
zwischen Werkzeug und Werkstück.
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Diese Relativbewegungen können entweder durch den Werkzeugantrieb
oder durch den Werkstückantrieb ausgeglichen werden, indem die Antriebswelle aufgetrennt
und dazwischen ein Differential eingeschaltet wird. Dieses Differential wird zusätzlich
von einem geeigneten Motor angetrieben, dessen Drehzahl erfindungsgemäß durch die
Meßströme der erfindungsgemäßen kapazitiven Meßvorrichtung gesteuert wird. Hierbei
muß der Motor zusätzliche Umdrehungen ausführen, sobald die Relativbewegungen negativ
werden, und mit geringerer Drehzahl laufen, wenn positive Relativfiewegungen auftreten.
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Mit dieser Regel- und Steuereinrichtung ist es möglich, die Relativbewegungen
zwischen Werkzeug und Werkstück auf ein Mindestmaß zu verringern und dadurch Teilungs-
und Zahnformfehler eines'hergestellten Zahnrades sehr niedrig zu halten.
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PATENTANspROcHE: I. Vorrichtung zur Bestimmung von Relativbewegungen
bewegter Teile unter Verwendung eines veränderbaren elektrischen Kondensators nach
Art eines Drehkondensators od. dgl. mit gegeneinander verstellbaren Kondensatorbelegungen,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kondensatorbelegungen von verschiedenen
bewegten Teilen mit untereinander gleicher Nenngeschwindigkeit gleichsinnig angetrieben
werden, so daß sie sich nur bei Relativbewegungen der Teile gegeneinander verstellen,
und daß die hierdurch bewirkte Kapazitätsänderung des Kondensators, in an sich bekannter
Weise gemessen, als Maß für die Relativbewegung der Teile dient.