DE19911958C2 - Verfahren zur induktiven Abstandsmessung und Arbeitskopf zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur induktiven Abstandsmessung ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und einen Arbeitskopf zur Durchführung der Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.

Verfahren zur induktiven Messung eines Abstands zwischen einem Werk­ stück und einem Arbeitskopf sind bereits allgemein bekannt, z. B. aus der ER 0 344 038 A1. Der Arbeits­ kopf trägt dabei eine von einem Wechselstrom durchflossene Induktions­ spule, die Teil eines Schwingkreises ist, dessen Schwingfrequenz auf Än­ derungen überwacht wird, die sich infolge von Abstandsänderungen zwi­ schen Werkstück und Arbeitskopf ergeben.

Darüber hinaus sind auch Arbeitsköpfe zur Werkstückbearbeitung allge­ mein bekannt, die einen dem Werkstück zugewandten Austrittskanal auf­ weisen, der von einer Induktionsspule konzentrisch umgeben ist, um mit ihrer Hilfe auf induktivem Wege den Abstand zwischen Werkstück und Ar­ beitskopf zu ermitteln.

Dagegen zeichnet sich ein aus der DE 42 12 652 C2 bekannter Arbeitskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks, der einen dem Werkstück zugewand­ ten Austrittskanal aufweist, den eine Induktionsspule konzentrisch um­ gibt, die eine elektrische Abschirmung trägt, dadurch aus, daß durch den Austrittskanal ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante größer 1 hindurchleitbar ist.

Aus der DE 42 12 652 C2 sind darüber hinaus die elektrische Abschirmung eines Spulenpaketes und die Begrenzung des Austrittskanals durch eine metallische Wand bekannt.

Nicht zuletzt sind bereits aus der DE 94 12 765 U1 und der US 4 001 718 auf induktivem Wege arbeitende Abstandsmessungen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiteren Anwendungsbe­ reich für das eingangs genannte Verfahren zu erschließen. Ebenso soll ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneter weiterer Arbeitskopf zur Verfügung gestellt werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur induktiven Messung eines Ab­ stands zwischen einem Werkstück und einem Arbeitskopf, der eine von ei­ nem Wechselstrom durchflossene Induktionsspule trägt, die Teil eines Schwingkreises ist, dessen Schwingfrequenz auf Änderungen überwacht wird, die sich infolge von Abstandsänderungen zwischen Werkstück und Arbeitskopf ergeben, zeichnet sich dadurch aus, daß das Werkstück durch den Arbeitskopf mit einem eine Dielektrizitätskonstante größer 1 aufwei­ senden Material beaufschlagt wird; die Frequenz des Wechselstroms im Megaherzbereich oder knapp darunter liegt; und die Induktionsspule ge­ genüber äußeren elektrischen Feldern abgeschirmt ist.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, auf induktivem Wege den Abstand zwischen dem Arbeitskopf und dem Werkstück exakt ermitteln zu können, auch wenn das Werkstück durch den Arbeitskopf mit einem Medium be­ aufschlagt wird, dessen Dielektrizitätskonstante ε größer bzw. sehr viel größer als 1 ist. Beispielsweise kann es sich bei dem das Werkstück beauf­ schlagende Medium um Wasser, also um einen Wasserstrahl mit oder ohne Abrasivstoff handeln, oder um einen fließfähigen Klebstoff, der auf die Oberfläche des Werkstücks aufgetragen werden soll.

Verfahren und Arbeitskopf müssen dabei in der Lage sein, die jeweiligen Prozeßschritte auch in sehr engen Räumen von zum Beispiel dreidimen­ sionalen Werkstücken ausführen zu können, so daß eine möglichst kom­ pakte Anordnung gewünscht wird. Demzufolge ist man bestrebt, die Fre­ quenz des die Induktionsspule durchfließenden Wechselstroms relativ hoch zu wählen, was die Auswahl insbesondere kleinerer elektrischer Bauteile begünstigt. Andererseits treten jedoch bei hohen Frequenzen in­ folge der relativ hohen Dielektrizitätskonstanten des zu verarbeitenden Materials relativ hohe parasitäre Kapazitäten auf, die die Abstandsmes­ sungen verfälschen können. Daher wird erfindungsgemäß auch vorge­ schlagen, die Induktionsspule gegenüber äußeren elektrischen Feldern abzuschirmen, um den Einfluß parasitärer Kapazitäten zu vermeiden.

Aufgrund der gewählten und relativ hohen Frequenz des die Induktions­ spule durchfließenden Wechselstroms ist die Eindringtiefe des in das Werkstück induzierten Stroms nur gering, so daß das Verfahren im we­ sentlichen unabhängig von der Dicke des Werkstücks arbeitet. Darüber hinaus ergibt sich noch der weitere Vorteil, daß das Verfahren auch weit­ gehend unabhängig von der Materialart des zu bearbeitenden Werkstücks ist.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Frequenz des Wechselstroms im Bereich von etwa 500 kHz bis etwa 20 MHz liegen, vorzugsweise im Bereich von drei bis elf MHz.

Zur elektrischen Abschirmung der Induktionsspule kann diese zum Bei­ spiel durch einen Schirmleiter abgeschirmt sein, aber auch durch eine sol­ che elektrische Abschirmung, die ein durch die Induktionsspule gebilde­ tes Spulenpaket außen umgibt. Die Abschirmung könnte also zum Bei­ spiel toroidförmig oder ringkastenförmig sein. Dabei kann die elektrische Abschirmung des Spulenpakets im Falle eines metallischen Arbeitskopfs auch durch denjenigen Wandbereich vervollständigt werden, auf dem das Spulenpaket sitzt.

In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auf der Induktionsspule oder in deren Nähe auf dem Arbeitskopf ein die Induktionsspule enthalte­ ner LC-Schwingkreis angeordnet, was die Meßergebnisse verbessert, da in diesem Fall äußere Einflüsse, etwa Temperaturschwankungen, auf sämt­ liche Teile des Schwingkreises in gleicher Weise wirken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein als Düse ausgebildeter Arbeitskopf im Längsschnitt mit induk­ tivem Abstandsmesser; und

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm des induktiven Abstandsmessers nach Fig. 1.

Ein erfindungsgemäßer Arbeitskopf gemäß Fig. 1 ist zum Beispiel in Form einer Auftragsdüse 1 ausgebildet. Sie kann zum Beispiel aus Metall oder einem anderen geeigneten Material bestehen und eignet sich dazu, fließfähiges Material 2 in Richtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück 3 auszugeben. Zu diesem Zweck muß die Auftragsdüse 1 in konstantem Ab­ stand 4 relativ zum Werkstück 3 gehalten werden, was eine Abstandsrege­ lung erfordert, wenn die Auftragsdüse 1 parallel zum Werkstück 3 bewegt wird.

Die Auftragsdüse 1 weist einen Innenkanal 5 auf, der sich zur Düsenspitze hin konisch verjüngt und dort in einen Zylinderkanal 6 mit konstantem In­ nendurchmesser übergeht. Auf der Außenseite einer den Zylinderkanal 6 umgebenden Kanalwandung 7 sitzt konzentrisch zum Innenkanal 5 eine Induktionsspule 8, die mehrere Windungen aufweist. Diese Induktions­ spule 8 ist an der Auftragsdüse 1 befestigt und in Form eines Spulenpa­ kets 9 ausgebildet, das eine kreisringförmige Struktur mit rechteckförmi­ gem Querschnitt aufweist. Hierzu können die Windungen der Induktions­ spule 8 in geeignetes Material fest eingegossen sein.

Das Spulenpaket 9 wird oben, unten und außen von einem Metallblech 10 umgeben und dadurch gegenüber äußeren elektrischen Feldern abge­ schirmt. Innen ist das Spulenpaket 9 durch die Kanalwandung 7 gegen­ über äußeren elektrischen Feldern abgeschirmt, da auch die Kanalwan­ dung 7, ebenso wie die gesamte Auftragsdüse 1, aus Metall bestehen kann. Somit läßt sich über die aus Metall bestehende Auftragsdüse 1 Erd- oder Schirmpotential zu Abschirmzwecken ans Metallblech 10 anlegen.

Auf der oberen Seite des Metallblechs 10 und diesem gegenüber isoliert be­ findet sich eine Auswerteschaltung 11, die nachfolgend unter Bezugnah­ me auf die Fig. 2 näher erläutert wird. Diese Auswerteschaltung 11 ist über ein Kabel 12 mit einer nicht dargestellten Regeleinrichtung verbun­ den, um abhängig vom Ergebnis der Auswerteschaltung 11 den Abstand 4 der Auftragsdüse 1 vom Werkstück 3 konstant zu regeln. Die Regeleinrich­ tung steuert einen mit der Auftragsdüse 1 verbundenen und ebenfalls nicht dargestellten mechanischen Antrieb zur Verschiebung der Auftrags­ düse 1 senkrecht zum Werkstück 3 in Abhängigkeit des Ausgangs der Aus­ werteschaltung 11. Durch einen weiteren Antrieb lassen sich Auftragsdü­ se 1 und Werkstück 3 relativ zueinander in Horizontalrichtung des Werk­ stücks 3 bzw. dessen Oberfläche bewegen.

Die Fig. 2 zeigt die Auswerteschaltung 11 in weiteren Einzelheiten.

Diese Auswerteschaltung 11 enthält einen LC-Schwingkreis, dessen Frequenz praktisch nur von der durch die Abschirmung 10 konstanten Kapa­ zität C sowie von der abstandsabhängigen Induktivität L der Induktions­ spule 8 abhängig ist.

Der LC-Schwingkreis enthält im einzelnen einen Transistor T1, dessen Kollektoranschluß auf Masse liegt und dessen Basisanschluß mit der In­ duktivität L bzw. der Induktionsspule 8 sowie mit der Kapazität C in einem gemeinsamen Verbindungspunkt P gekoppelt ist. Die jeweils anderen An­ schlüsse der Induktivität L und der Kapazität C liegen einerseits über ei­ nen Verlustwiderstand V und andererseits direkt auf Masse. Die Kapazität C besteht aus einer fest vorgegebenen Kapazität C1 in Form eines geson­ derten Bauteils sowie aus der parallel zur Kapazität C1 liegenden parasitä­ ren Kapazität Cp der Induktionsspule 8. Da die Induktionsspule 8 durch das Metallblech 10 abgeschirmt ist, ist diese parasitäre Kapazität Cp eben­ so wie die fest vorgegebene Kapazität C1 konstant. Die Frequenz des Schwingkreises hängt also nur noch von der Induktivität L ab, die sich je nach Abstand 4 zwischen Auftragsdüse 1 und Werkstück 3 verändert. Der in Reihe zur Induktivität L liegende Verlustwiderstand V hat keinen Ein­ fluß auf die Frequenz des Schwingkreises und bewirkt nur eine Amplitu­ denänderung der HF-Schwingung. Letztere wird aber nicht ausgewertet.

Der LC-Schwingkreis enthält ferner einen zweiten Transistor T2, dessen Basisanschluß auf Masse liegt und dessen Kollektoranschluß mit dem ge­ meinsamen Verbindungspunkt P verbunden ist. Die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren T1 und T2 sind direkt miteinander verbunden, wobei über einen gemeinsamen Verbindungspunkt ein Widerstand R_E je­ weils mit den Emitteranschlüssen von T1 und T2 gekoppelt ist. Der andere Anschluß des Widerstands R_E liegt auf negativem Potential. Der Kollektor des Transistors T2 bzw. der Verbindungspunkt P sind darüber hinaus ei­ nem Eingang eines Verstärkers A zugeführt, dessen Ausgang mit dem Ein­ gang einer Frequenzmeßeinrichtung F verbunden ist. Am Ausgang O der Frequenzmeßeinrichtung F erscheint somit jeweils eine einem Abstand 4 zwischen Auftragsdüse 1 und Werkstück 3 zugeordnete Frequenz, die als Istwert anzusehen ist und auf einen Sollwert zum Beispiel konstant geregelt werden kann.

Der in Fig. 2 gezeigte LC-Schwingkreis ist als Differenzverstärker reali­ siert. Da das Basispotential von T1 mit dem Kollektorpotential von T2 in Phase ist, kann man die Mitkopplung durch direkte Verbindung erzeugen. Die Schleifenverstärkung ist zur Steilheit der Transistoren proportional. Sie läßt sich durch Änderung des Emitterstroms in weiten Grenzen ein­ stellen.

Um die Regelkreisdynamik unabhängig vom Abstand 4 zwischen Auftrags­ düse 1 und Werkstück 3 zu machen, könnte auch eine Linearisierung der vom Frequenzmesser F gelieferten Ausgangswerte durchgeführt werden.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung liefert zum Beispiel bei einer Arbeitsfre­ quenz von 10 MHz abstandsabhängige Frequenzänderungen im kHz-Be­ reich, so daß ein gutes Auflösungsvermögen erhalten wird.

Claims (8)

1. Verfahren zur induktiven Messung eines Abstands (4) zwischen ei­ nem Werkstück (3) und einem Arbeitskopf (1), der eine von einem Wechsel­ strom durchflossene Induktionsspule (8) trägt, die Teil eines Schwingkrei­ ses (L, C) ist, dessen Schwingfrequenz auf Änderungen überwacht wird, die sich infolge von Abstandsänderungen zwischen Werkstück (3) und Ar­ beitskopf (1) ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkstück (3) durch den Arbeitskopf (1) mit einem eine Dielektri­ zitätskonstante (ε) < 1 aufweisenden Material (2) beaufschlagt wird;
die Frequenz des Wechselstroms im Megaherzbereich oder knapp darunter liegt; und
die Induktionsspule (8) gegenüber äußeren elektrischen Feldern ab­ geschirmt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fre­ quenz des Wechselstroms im Bereich von etwa 500 kHz bis etwa 20 MHz liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ma­ terial (2) zur Beaufschlagung des Werkstücks (3) Wasser mit oder ohne Ab­ rasivstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material (2) zur Beaufschlagung des Werkstücks (3) ein fließfähiger Klebstoff verwendet wird.

5. Arbeitskopf (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (3), der einen dem Werkstück (3) zugewandten Austrittskanal (6) aufweist, den eine Induk­ tionsspule (8) konzentrisch umgibt, die eine elektrische Ab­ schirmung (10) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Austrittskanal (6) ein Material (2) mit einer Dielektrizitätskonstanten (ε) < 1 hindurchleitbar ist.

6. Arbeitskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Abschirmung (10) ein durch die Induktionsspule (8) gebildetes Spulenpaket (9) umgibt.

7. Arbeitskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittskanal (6) von einer metallischen Wandung (7) begrenzt ist, die Teil der elektrischen Abschirmung (10) des Spulenpakets (9) ist.

8. Arbeitskopf nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Induktionsspule (8) oder in deren Nähe auf dem Arbeitskopf (1) ein die Induktionsspule (8) enthaltener LC-Schwingkreis (LG) angeordnet ist.