Einrichtung zur Steuerung oder Regelung von Längs- oder Drehbewegungen Für die Programmierung von Längs- und Dreh bewegungen, beispielsweise den Vorschub bei Werk zeugmaschinen, ist bereits eine Vielzahl verschiedener Programmiersysteme bekanntgeworden.
Sie arbeiten beispielsweise mit Messeinrichtungen nach dem Durchleuchtungsverfahren mit optischen Mitteln, oder mit aktiven magnetischen Messeinrichtungen unter Verwendung einer eingeprägten Magnetisie- rung. Während beim optischen Verfahren der Mass stab von beiden Seiten zugänglich sein muss, ergibt sich bei aktiven magnetischen Messeinrichtungen eine erhöhte Störanfälligkeit gegenüber Fremdfeldern. Ferner sind Verfahren bekannt, die nach dem Dreh melderprinzip - für Längsbewegungen mit in die Ebene aufgerolltem Drehmelder - arbeiten.
In diesem Falle sind Anschlussleitungen sowohl am ortsfesten als auch am beweglichen Teil erforderlich. Darüber hinaus wirken sich der geringe Signalpegel und Stör abstand dieser Messgeräte ungünstig aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die den bekannten Programmiersystemen anhaftenden Nachteile zu vermeiden und mit geringem Aufwand die Steuerung oder Regelung von beliebigen Längs- oder Drehbewegungen mit ausreichender Genauig keit zu ermöglichen.
Es ist an anderer Stelle vorgeschlagen worden, zur Messung von Wegen einen Massstab als weich magnetisches Strichraster auszubilden und diesen Massstab mit einem Lesekopf abzutasten, der aus einem im wesentlichen geschlossenen magnetisch er regten Kreis mit Fühlspalt besteht. Die Ausgangs spannung des Lesekopfes ist vom Grad der über brückung des Fühlspaltes durch das Strichraster und damit von der Stellung des Lesekopfes abhängig.
Zur reinen Wegmessung kommt man grundsätz lich mit einem einzigen Fühlspalt aus, da es hierbei nur darum geht, die während der Relativbewegung zwischen Massstab und Lesekopf auftretenden Ma- xi@ma der Ausgangsspannung festzustellen. Zu Pro- grammierzwecken sind jedoch mindestens zwei Fühl- spalte, die in bestimmter Beziehung zueinander ste hen bzw. zwei Leseköpfe mit entsprechender Zuord nung erforderlich.
Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Fühlspalte mit voneinander unabhängiger magnetischer Erregung um ein ungeradzahliges Vielfaches der Strichteilung des Massstabes gegeneinander versetzt sind.
Bei Verwendung zweier Leseköpfe werden die Ausgangsspannungen, die um 90 in der Phase ver schoben sind, zweckmässig zu einer Summenspan nung zusammengesetzt. Verwendet man zwei Fühl- spalte in einem einzigen Lesekopf, so ist vorteil haft jedem Fühlspalt eine Erregerwicklung zuzuord nen, deren Magnetflüsse sich normalerweise gegen seitig aufheben.
Die Abfrage kann auf induktivem Wege erfol gen, indem im Flussweg des Fühlspaltes, beispiels weise auf einem Mittelschenkel, eine geeignete Wick lung angeordnet ist. Statt dessen kann man auch in an sich bekannter Weise einen Hallgenerator zur Abtastung heranziehen. Dadurch erzielt man den Vorteil, dass auch eine Erregung mit Gleichspan nung möglich wird.
Nähere Einzelheiten seien im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind. Die Aus führungsbeispiele beziehen sich auf die Verwendung von Hallgeneratoren, sind jedoch ohne weiteres auch für induktive Abtastung verwendbar. Zu diesem Zweck ist jeweils statt des Hallgenerators auf dem betreffenden Schenkel des Lesekopfes eine Abfrage wicklung anzuordnen.
Die Fig.l zeigt ein Programmiersystem unter Verwendung zweier E-förmiger Leseköpfe, in deren Mittelschenkel Hallgeneratoren angeordnet sind. Jeder Lesekopf 1, la ist mit zwei Fühlspalten 2, 3 bzw. 2a, 3a versehen. Er weist Polschuhe 4, 5 bzw. 4a, 5a auf. Die beiden Hallgeneratoren 6, 6a sind in Luftspalte des Mittelschenkels 7, 7a angeordnet. Dabei ist beim Lesekopf 1 der Hallgenerator in sei ner wirklichen räumlichen Lage dargestellt, während beim Lesekopf la die elektrischen Anschlüsse deut licher gezeigt sind.
Das Strichraster mit der Teilung a besteht aus Stegen 8 und Zwischenräumen 9. Die beiden Lese köpfe 1 und la sind um ein ungeradzahliges Viel faches der Teilung gegeneinander versetzt. Sind also beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, die Fühlspalte des Lesekopfes la überbrückt, so stehen den Fühl- spalten des Lesekopfes 1 Zwischenräume 9 gegen über.
Die Felderregung der Leseköpfe kann mit Wech selstrom (Spannungen UEl, UE2) und die Steuerstrom versorgung für die Hallgeneratoren mit Gleichspan nung (U,) erfolgen. Statt dessen kann man auch einen Steuerwechselstrom verwenden und die Erregerwick lungen mit Gleichstrom speisen. Die beiden Hallspan- nungen sind in Reihe geschaltet, so dass sich an den Klemmen 10, 11 die Summe der Hallspannungen UH ergibt. Die beiden Spannungen<B>Up,</B> und UE2 sind um 90 gegeneinander phasenverschoben.
Die Summenhallspannung an den Klemmen 10, 11 hat eine Phasenlage, die von den Amplituden der Einzelhallspannungen abhängig ist. Hat beispielsweise die eine Hallspannung ihr Maximum, die andere ihr Minimum, so hat die Summenhallspannung die Pha senlage der maximalen Einzelspannung. Haben nach Verschiebung der beiden Leseköpfe um eine halbe Strichteilung die beiden Hallspannungen den gleichen Wert, so ist die Summenhallspannung um 45 gegen die Teilhallspannungen phasenverschoben.
Man kann daher die Ausgangsspannung an den Klemmen 10, <B>11</B> in der bei Drehmeldesystemen bekannten Weise zur Programmierung verwenden und einen Weg vor geben, der einen beliebigen Bruchteil der Strichtei lung enthält. Die hohe Signalleistung beim Gegen stand der Erfindung führt zu grosser Betriebssicher heit bei solchen Programmierverfahren.
Eine andere Möglichkeit zur Programmierung ist in Fig.2 dargestellt. Auch hier ist ein E-förmiger Eisenkreis 12 vorgesehen, der grundsätzlich die gleiche Form wie der bei den Leseköpfen nach Fig. 1 hat. Die beiden Fühlspalte 13, 14 sind hier jedoch um ein ungeradzahliges Vielfaches der Strichteilung a gegeneinander versetzt, so dass bei Überbrückung eines der Fühlspalte durch einen Strich 8 der andere Fühlspalt frei bleibt.
An die Erregerspannung UE, die im Ausführungsbeispiel als Gleichspannung an genommen ist, sind zwei Erregerwicklungen 15, 16 angeschlossen, die den beiden Fühlspalten 13, 14 zugeordnet sind. Mit Hilfe von Stellwiderständen 17, 18 kann man im Normalzustand einen exakten Abgleich der Erregerflüsse erzielen, so dass der Hall- generator 19 bei vom Strichraster abgehobenem Lesekopf die Hallspannung Null abgibt. Diese sym metrische Flussverteilung wird nun durch die weich magnetischen Striche des Massstabes je nach der Stellung des Lesekopfes gestört.
Von der überbrük- kung des einen oder anderen Luftspaltes hängt die Richtung des den Hallgenerator durchsetzenden Ma gnetflusses ab. Bei Verwendung eines Steuergleich stromes für den Hallgenerator erhält man also wäh rend der Verschiebung des Lesekopfes eine peri odisch ihr Vorzeichen wechselnde Hauspannung. Zur Programmierung sind zwei Programmierwick- lungen 20 und 21 vorgesehen, die an an sich be kannte Trafokombinationen zur Vorwahl der ge wünschten Stellung angeschlossen werden können.
In Fig.2 ist allgemein mit 22 eine derartige Trafo- kombination dargestellt, über die nähere Einzelhei ten beispielsweise aus der amerikanischen Patent schrift Nr. 2 849 668 hervorgehen. Durch Umschal tung der Abgriffe bei der Trafokombination 22 kann man Programmierspannungen derart vorgeben, dass bei jeder beliebigen Stellung des Lesekopfes in bezug zum Massstab der Gesamtfluss Null im Hall generator entsteht und damit die Hauspannung Uli verschwindet.
Auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 be steht die Möglichkeit, statt eines Hallgenerators eine induktive Abfragewicklung auf dem Mittelschenkel des Lesekopfes anzuordnen.
Wie gross die Strichteilung a ausfallen wird, hängt von der praktisch erreichbaren Auflösung ab. Wird der Massstab beispielsweise so hergestellt, dass auf einer unmagnetischen Unterlage eine weichmagne tische Folie, etwa aus Mu-Metall, aufgeklebt und die Strichteilung durch photographische Übertragung und nachfolgende Ätzung erzeugt wird, so kann man mit einer Auflösung von 1 mm, gegebenenfalls auch bis zu 0,1 mm, rechnen. Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 sind in dieser Hinsicht selbstver ständlich nicht massstabsgetreu aufzufassen.
Wird für a der Wert von 1 mm gewählt, so sind die Breiten der Mittelschenkel 7 und 7a in Fig. 1 als ein un- geradzahliges Vielfaches von 1 mm zu wählen, beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 als ein geradzahli- ges Vielfaches, während die Fühlspalte etwa die Breite der Strichteilung haben können.
Da sich bei der Herstellung von weichmagneti schen Massstäben kleine Unregelmässigkeiten nicht ohne weiteres vermeiden lassen, kann man zur Er höhung der Genauigkeit mehrere parallel geschaltete Luftspalte anwenden. Dabei tritt zugleich auch eine Erhöhung der Dynamik auf, da der wirksame Ge- samtluftspalt bei mehreren Parallelluftspalten ent sprechend verringert wird.
Eine Möglichkeit zur praktischen Ausbildung eines solchen Lesekopfes ist in den Fig.3 und 4 schematisch dargestellt. Auf einer unmagnetischen Unterlage 23 sind weichmagnetische Streifen 24, 25 und 26 angeordnet, die in der Umgebung der Mit telachse 27 kammartig mit Zähnen 28 und Zwischen räumen 29 ausgebildet sind. Die weichmagnetischen Streifen sind auf der Oberseite der Grundplatte 23 umgebogen. An diesen Stellen wird der magnetische Anschluss mit dem E-förmigen Eisenkern 30 her gestellt, wobei in einem Luftspalt zwischen dem Streifen 25 und dem Mittelschenkel 31 des Kanals 30 ein Haugenerator 32 angeordnet sein kann.
Statt dessen ist es wieder möglich, auf dem Mittelschen kel 31 eine induktive Abfragewicklung anzuordnen. Die Erreger- und Programmierwicklungen des Kerns 30 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Fig.4 zeigt einen Schnitt durch einen derartigen Lesekopf längs der Linie IV-IV der Fig.3, wobei die Bezugszeichen für gleiche Teile aus Fig. 3 über nommen worden sind.
Im unteren Teil der Fig. 3 ist ferner noch eine Ausbildungsmöglichkeit für den weichmagnetischen Massstab gezeigt. Auf einer unmagnetischen Unter lage 33 ist eine weichmagnetische Folie 34 aufge- laebt, die beispielsweise durch einen Ätzvorgang mit Ausnehmungen 35 versehen wurde. Die dazwischen stchenbleibenden Stege 36 bilden ein Strichraster in der Umgebung der Mittelachse 27.
Denkt man sich den Lesekopf über den Massstab geklappt, so dass die Achsen 27 zusammenfallen, so erkennt man, dass durch die Stege 36 des Massstabes dann, wenn sie Zähnen 28 der Kämme gegenüberstehen, die parallel geschalteten Luftspalte überbrückt sind.
Weitere Realisierungsmöglichkeiten des Erfin dungsgegenstandes ergeben sich für den Fachmann auf Grund der bekannten Richtlinien für program- mierfähige Systeme der hier in Frage stehenden Art.
Device for controlling or regulating longitudinal or rotary movements For the programming of longitudinal and rotary movements, for example the feed in machine tools, a large number of different programming systems have already become known.
You work, for example, with measuring devices using the fluoroscopic method with optical means, or with active magnetic measuring devices using impressed magnetization. While the measuring rod must be accessible from both sides in the optical method, active magnetic measuring devices are more susceptible to interference from external fields. Furthermore, methods are known that according to the rotary detector principle - work for longitudinal movements with resolver rolled into the plane.
In this case, connection lines are required both on the stationary and on the moving part. In addition, the low signal level and signal-to-noise ratio of these measuring devices have an unfavorable effect.
The invention is based on the object of avoiding the disadvantages inherent in the known programming systems and of enabling the control or regulation of any longitudinal or rotary movements with sufficient accuracy with little effort.
It has been proposed elsewhere to form a scale as a soft magnetic line grid for measuring paths and to scan this scale with a reading head, which consists of an essentially closed magnetically excited circle with a sensing gap. The output voltage of the read head depends on the degree of bridging of the sensing gap by the line grid and thus on the position of the read head.
In principle, a single sensing gap is sufficient for pure distance measurement, since it is only a matter of determining the maximum output voltage occurring during the relative movement between the scale and the reading head. For programming purposes, however, at least two sensing gaps that have a certain relationship to one another or two reading heads with a corresponding assignment are required.
The device according to the invention is characterized in that at least two sensing gaps with mutually independent magnetic excitation are offset from one another by an odd multiple of the graduation of the scale.
When using two reading heads, the output voltages, which are shifted by 90 in phase, are expediently put together to form a total voltage. If two sensing gaps are used in a single reading head, it is advantageous to assign an excitation winding to each sensing gap, the magnetic fluxes of which normally cancel each other out.
The query can be carried out inductively by arranging a suitable winding in the flow path of the sensing gap, for example on a middle limb. Instead, a Hall generator can also be used for sampling in a manner known per se. This has the advantage that DC voltage excitation is also possible.
Further details are explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments which are shown schematically in the drawing. The exemplary embodiments relate to the use of Hall generators, but can also easily be used for inductive scanning. For this purpose, instead of the Hall generator, a query winding is to be arranged on the relevant leg of the reading head.
Fig.l shows a programming system using two E-shaped read heads, in the middle legs of which Hall generators are arranged. Each reading head 1, la is provided with two sensing gaps 2, 3 or 2a, 3a. It has pole shoes 4, 5 or 4a, 5a. The two Hall generators 6, 6a are arranged in air gaps of the central leg 7, 7a. In the case of reading head 1, the Hall generator is shown in its real spatial position, while in reading head 1 a, the electrical connections are clearly shown.
The line grid with the division a consists of webs 8 and spaces 9. The two reading heads 1 and la are offset from one another by an odd multiple of the division. If, for example, as shown in FIG. 1, the sensing gaps of the reading head 1 a are bridged, then the sensing gaps of the reading head 1 are opposed to spaces 9.
The field excitation of the reading heads can be done with alternating current (voltages U1, U2) and the control power supply for the Hall generators with direct voltage (U,). Instead, you can use a control alternating current and feed the excitation windings with direct current. The two Hall voltages are connected in series so that the sum of the Hall voltages UH results at terminals 10, 11. The two voltages <B> Up, </B> and UE2 are phase-shifted by 90 with respect to one another.
The total reverberation voltage at terminals 10, 11 has a phase position that is dependent on the amplitudes of the individual reverberation voltages. If, for example, one Hall voltage has its maximum and the other its minimum, then the total Hall voltage has the phase position of the maximum individual voltage. If the two reverberation voltages have the same value after the two reading heads have been shifted by half a line division, the total reverberation voltage is phase-shifted by 45 with respect to the partial reverberation voltages.
You can therefore use the output voltage at the terminals 10, 11 for programming in the manner known from resolution systems and give a path that contains any fraction of the Strichtei development. The high signal power in the subject of the invention leads to great operational reliability in such programming methods.
Another possibility for programming is shown in Fig.2. Here, too, an E-shaped iron circle 12 is provided, which basically has the same shape as that of the read heads according to FIG. 1. The two sensing gaps 13, 14 are, however, offset from one another by an odd multiple of the line division a, so that when one of the sensing gaps is bridged by a line 8, the other sensing gap remains free.
Two excitation windings 15, 16, which are assigned to the two sensing gaps 13, 14, are connected to the excitation voltage UE, which in the exemplary embodiment is taken as direct voltage. With the help of variable resistors 17, 18 one can achieve an exact adjustment of the excitation fluxes in the normal state, so that the Hall generator 19 emits the Hall voltage zero when the reading head is lifted from the line grid. This symmetrical flux distribution is now disturbed by the soft magnetic lines of the scale depending on the position of the reading head.
The direction of the magnetic flux passing through the Hall generator depends on the bridging of one or the other air gap. When using a direct control current for the Hall generator, you get a house voltage that changes its sign periodically during the displacement of the reading head. Two programming windings 20 and 21 are provided for programming, which can be connected to known transformer combinations for preselecting the desired position.
In FIG. 2, such a transformer combination is shown generally at 22, about which more details emerge, for example, from American Patent No. 2,849,668. By switching the taps on the transformer combination 22, programming voltages can be specified in such a way that the total flux zero in the Hall generator is created in any position of the read head with respect to the scale and the house voltage Uli disappears.
In the embodiment according to FIG. 2, too, there is the possibility of arranging an inductive interrogation winding on the middle leg of the reading head instead of a Hall generator.
The size of the line division a depends on the practically achievable resolution. If the scale is made, for example, in such a way that a soft magnetic foil, for example made of Mu-metal, is glued to a non-magnetic base and the line division is generated by photographic transfer and subsequent etching, then with a resolution of 1 mm, if necessary up to 0.1 mm, calculate. The exemplary embodiments according to FIGS. 1 and 2 are of course not to be understood true to scale in this regard.
If the value of 1 mm is selected for a, then the widths of the center legs 7 and 7a in FIG. 1 are to be selected as an odd multiple of 1 mm, in the exemplary embodiment according to FIG. 2 as an even multiple, while the Feel gaps can be about the width of the line division.
Since small irregularities cannot be easily avoided in the production of soft magnetic rule rules, several air gaps connected in parallel can be used to increase the accuracy. At the same time, there is also an increase in dynamics, since the effective total air gap is correspondingly reduced when there are several parallel air gaps.
One possibility for the practical design of such a read head is shown schematically in FIGS. On a non-magnetic base 23 soft magnetic strips 24, 25 and 26 are arranged, which are formed in the vicinity of the central axis 27 with teeth 28 and spaces 29 in a comb-like manner. The soft magnetic strips are bent over on the top of the base plate 23. At these points, the magnetic connection with the E-shaped iron core 30 is made, it being possible for a Hauggenerator 32 to be arranged in an air gap between the strip 25 and the center leg 31 of the channel 30.
Instead, it is again possible to arrange an inductive interrogation winding on the center leg 31. The excitation and programming windings of the core 30 are not shown for the sake of simplicity.
FIG. 4 shows a section through such a reading head along the line IV-IV of FIG. 3, the reference numerals for the same parts from FIG. 3 having been adopted.
In the lower part of FIG. 3 there is also shown a possible embodiment for the soft magnetic scale. A soft magnetic film 34, which has been provided with recesses 35, for example, by an etching process, is applied to a non-magnetic base 33. The webs 36 remaining in between form a line grid in the vicinity of the central axis 27.
If one imagines the reading head folded over the scale so that the axes 27 coincide, one recognizes that the parallel-connected air gaps are bridged by the webs 36 of the scale when they face teeth 28 of the combs.
Further implementation options for the subject matter of the invention result for the person skilled in the art on the basis of the known guidelines for programmable systems of the type in question here.