DE20021187U1 - Vorrichtung zur Kontrolle der Lage zweier relativ zueinander verstellbarer Bauteile - Google Patents

Vorrichtung zur Kontrolle der Lage zweier relativ zueinander verstellbarer Bauteile

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Description

Röhm GmbH
Heinrich-Röhm-Straße 50
89567 Sontheim
MTS Sensor Technologie
GmbH & Co. KG
Auf dem Schuffei 9
58513 Lüdenscheid
89073 Ulm, 26.10.2000 Akte G/11441 h/dr
Vorrichtung zur Kontrolle der Lage zweier relativ zueinander verstellbarer Bauteile.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur 10 berührungslosen Kontrolle der Lage zweier relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch verstellbarer Bauteile, mit einem dem ersten Bauteil zugeordneten, sich parallel zum Verstellweg erstreckenden Magnetfeldsensor und einem dem zweiten Bauteil 15 zugeordneten, als flexibler Permanentmagnet ausgebildeten Ringmagneten als magnetischer Erreger bzw Positionsgeber.
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Für die Kontrolle und Steuerung von Maschinen ist es oftmals erforderlich, die relative Lage zweier Bauteile dieser Maschine zueinander erfassen zu können, wobei dies insbesondere dann schwierig ist, wenn deren relative Lage sich sowohl infolge von linearen translatorischen als auch rotatorischen Bewegungen verändern kann, bei denen das eine Bauteil sich relativ zu dem anderen verdreht. Bei derartigen Anwendungsfällen bietet sich der Einsatz berührungsloser Meßmethoden an, wozu auch der Einsatz eines mit einem Permanentmagneten zusammenwirkenden Magnetfeldsensors zählt.
Aus der EP 0 591 779 Bl ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der als Positionsgeber ein Ringmagnet angeordnet ist, der aus einem flexiblen Permanentmagneten besteht.
Im Stand der Technik sind Anwendungsmöglichkeiten bei einer Spritzgießmaschine beschrieben. Bei einer derartigen Anordnung, bei der der permanentmagnetische Ringmagnet im Bereich der Schneckenkupplung am Anfang des rotierenden Systems als Positionsgeber angeordnet ist, kann der Ringmagnet relativ großen Durchmesser aufweisen, so daß eine Formung des Ringmagnetes aus flexiblem dauermagnetischen Material möglich ist. Ein Nachteil der bekannten Ausbildung ist aber, daß eine Fertigung von Ringmagneten kleinen Durchmessers kaum oder gar nicht möglich ist, weil das Material die Formung eines Ringmagneten mit geringem Durchmesser nicht zuläßt. Solche Anwendungen sind aber vorteilhaft, wenn beispielsweise Maschinenteile überwacht werden sollen, die geringe Abmessungen haben und auch mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden.
Zudem ist nachteilig, daß bei der bekannten Ausbildung an der Stoßstelle des Ringmagneten eine Inhomogenität im Feldverlauf auftritt, die zu Meßungenauigkeiten führt. Ein weiteres Problem bei der bekannten Ausbildung ist die Maßhaltigkeit des Ringmagneten bei hohen Drehzahlen des drehenden Maschinenteiles. Eine solche Maßhaltigkeit ist bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausbildung nicht gewährleistet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Meßgenauigkeit verbessert werden kann, wobei der Ringmagnet auch bei hohen Maschinendrehzahlen der zu überwachenden Teile eingesetzt werden kann, einfach zu fertigen ist und die Fertigung auch mit geringen Durchmessern ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Ringmagnet durch einen Mehrzahl von zu einem geschlossenen Ring gebogenen, bandförmigen Stabmagneten aus flexiblem, permanentmagnetischem Werkstoff unterschiedlicher Länge gebildet ist, die in einem Stapel angeordnet das zweite Bauteil in Umfangsrichtung umgeben.
Diese Vorrichtung bietet zunächst den Vorteil, daß nicht eine Mehrzahl gleichmäßig um die Drehachse des rotierenden Bauteils verteilt angeordnete magnetische Erreger verwendet werden müssen, die bei der Rotation des 0 drehenden Bauteils abwechselnd sich dem Magnetfeldsensor annähern und wieder entfernen und somit nicht zu einem gleichmäßigen und den Genauigkeitsanforderungen entsprechenden Signal führen können. Durch die Erfindung
wird vielmehr ein einzelner auf dem gesamten Umfang wirksamer Ringmagnet bereit gestellt, der eine ausreichende Feldstärke dadurch erreicht, daß in einem Stapel eine Mehrzahl der ringförmigen Stabmagnete angeordnet ist. Dieser Ringmagnet weist über seinen Umfang ein definiertes Magnetfeld auf, durch das eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden kann, weil es über den Umfang des Rades weitgehend konstant ist. Es ist auch möglich, Anordnungen in der Weise auszubilden, daß das Magnetfeld über den Umfang des Ringes eine definierte, kontinuierliche Änderung erfährt oder das Magnetfeld eine definierte Kodierung aufweist.
Anwendbar sind derartige permanentmagnetische Ringmagneten bei allen Systemen, die eine Translation und/oder Rotation ausführen, und dabei magnetfeldsensitive Einrichtungen ansteuern. Beispielsweise kann es sich dabei um rotierende, mit Linearkolben betätigte Spannzeuge an Werkzeugmaschinen, um Extrudiermaschinen bzw. deren Antrieb in Kunststoffspritzgußmaschinen oder auch Linearkolben, die nicht gegen Verdrehen gesichtert sind, handeln.
Durch die Ausbildung des Ringmagneten aus einer Vielzahl von Einzelringen geringer Dicke ist es möglich, einen Ringmagneten auch mit kleinem Durchmesser zu fertigen, da das dünne Material der Einzelringe eine hohe Flexibilität aufweist.
Um eine saubere Anlage der Ringe aneinander zu gewährleisten und damit Inhomogenitäten des Ringmagneten zu vermeiden, ist zudem vorgesehen, daß jeder Ring im Querschnitt rechteckig ausgebildet ist.
Aus dem gleichen Grunde ist bevorzugt vorgesehen, daß die benachbarten Ringe flächig aneinander anliegen. Luftspalte werden dabei weitestgehend vermieden.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß die Dicke jedes Ringes größer als 0 mm und kleiner als 3 mm ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, daß die Dicke jedes Ringes etwa 0,8 bis 1,5 mm beträgt.
Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß die Ringe eine parallel zu deren Höhenerstreckung orientierte Polung aufweisen, die einzelnen Ringe polrichtig zueinander ausgerichtet und durch ihre magnetischen Anzugskräfte miteinander verbunden sind.
Durch die polrichtige Ausrichtung der einzelnen Ringlagen wird die Lagehaltung durch magnetische Anzugskräfte noch zusätzlich unterstützt.
Als günstig hat sich weiterhin erwiesen, wenn die Stoßkanten der Ringe nicht in einer radialen Linie angeordnet sind, da so eine Störung der Homogenität des Magnetfeldes vermieden wird. Zweckmäßigerweise erfolgt die Versetzung dabei dergestalt, daß die Stoßkanten gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind, da sich so die Wirkung mehrerer Stoßkanten nicht in einem kleinen Winkelbereich akkumulieren kann.
0 Als einfachste Möglichkeit ist dabei im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Versetzung der Stoßkanten um den durch die Anzahl der Ringe bestimmten Winkel in einem Drehsinn erfolgt. Bei dieser Weise der Plazierung der
Stoßkanten liegen diese auf einer Spirale, so daß sich eine systematische und damit korrigierbare Störung der Homogenität des Magnetfeldes ergibt. Alternativ ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Versetzung der Stoßkanten um den durch die Anzahl der Ringe bestimmten Winkel mit alternierendem Drehsinn erfolgt, wobei diese Ausführungsform den Vorteil bietet, daß die Stoßkanten unmittelbar benachbarter Ringe einen größeren Winkelabstand voneinander einhalten.
Eine besonders bevorzugte und als selbständig erfinderisch angesehene Weiterbildung besteht darin, daß der aus den Ringen gebildete Ringmagnet in eine ringförmige Hohlkammer eines Rades eingelegt ist, das aus nicht magnetisierbarem Material besteht.
Die Ringe können entsprechend in die Hohlkammer des Rades eingelegt werden, so daß sie konzentrisch zur Mittelachse des Rades ausgerichtet sind und quasi die Felge des Rades bilden.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Hohlkammer des Rades eine radial außenliegende Innenwandung aufweist, an der der äußere Ring des Ringmagneten sich flächig abstützt.
Die äußerste Lage der Ringe stützt sich dabei direkt an der radial außenliegenden Innenwandung der Hohlkammer ab. Alle weiteren Lagen schmiegen sich direkt an die jeweils nächst äußere. Auch dabei ist auf die polrichtige Ausrichtung der Lagen untereinander vorzugsweise zu achten.
Fliehkräfte aufgrund der Rotation des mit dem Ringmagneten ausgestatteten Rades führen nicht zum Ablösen oder zu nachteilhafter Deformation des aus flexiblen Einzellagen bestehenden Magnetringes, da sich der Ring an der Innenwand der Hohlkammer des Rades abstützt und die Lagen sich untereinander abstützen.
Zudem ist bevorzugt vorgesehen, daß die Hohlkammer eine radial gerichtete Anlagefläche für die eine Seitenrandkante der Ringe aufweist, so daß die entsprechenden einen Seitenrandkanten alle Ringe in einer gemeinsamen von der Anlagefläche gebildeten Ebene liegen.
Hierdurch bildet die Hohlkammer eine definierte, vorzugsweise exakt radial gerichtete Anlagefläche für die einen Randkanten der einzelnen Lagen und für den Magnetring insgesamt. Toleranzen in der Breite des permanentmagnetischen flexiblen Werkstoffes für die Einzellagen wirken sich an dieser Fläche nicht aus. Die Kanten aller Einzellagen liegen gleichmäßig an dieser Fläche an, wodurch der gebildete Ringmagnet über eine ebene und gleichmäßige Ringfläche verfügt.
Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, daß die an der Anlagefläche anliegende Ringfläche als Funktionsebene zur Aussteuerung von magnetfeldsensitiven Einrichtungen dient.
Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, daß die Hohlkammer durch einen in der Seitenfläche des Rades liegenden Deckel geschlossen ist, der auf der der Anlagefläche abgewandten Seite der Hohlkammer angeordnet ist.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß der Deckel mittels nicht magnetisierbarer Schrauben am Radkörper befestigt ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, daß zwischen dem Deckel und der dem Deckel zugewandten Seitenfläche des Ringmagneten eine Schicht aus elastomerem Werkstoff oder aus einem dauerelastischen Verguß vorgesehen ist, der durch den Deckel lagedefiniert gegebenenfalls mit definierter Vorspannung des Werkstoffes oder des Vergusses gehalten ist.
Durch diese Ausbildung wird ein Ausgleich der Breitentoleranzen des flexiblen, permanentmagnetischen Werkstoffes und somit der Einzellagen erreicht, wobei der zwischen dem Deckel und den Randkanten der Ringe befindliche elastomere Werkstoff oder dauerelastische Verguß durch den Deckel definiert gehalten bzw. definiert vorgespannt wird. Es wird somit eine äußerst haltbare Fixierung des Magnetringes auch in axialer Richtung erreicht.
Desweiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, daß die Hohlkammer eine parallel zur radial außen liegenden Innenwandung verlaufende innenliegende Wandung aufweist, an der die Innenfläche des inneren Ringes anliegt oder unter Zwischenanordnung eines elastomeren Werkstoffes oder dauerelastischen Vergusses anliegt. Die Anordnung des elastomeren Werkstoffes oder des dauerelastischen 0 Vergusses kann unmittelbar auf der innenliegenden Wandung der Kammer vorgesehen sein. Es kann aber auch an dem Deckel ein ringartiger Vorsprung vorgesehen sein, der seinerseits an der innenliegenden Wandung der Hohlkammer
anliegt und quasi eine zweite innenliegende Wandung bildet, die mit der entsprechenden Elastomerbeschichtung oder mit dem Verguß bestückt ist bzw. zusammenwirkt. Es wird somit noch eine toleranzausgleichende Fixierung in radialer Richtung erreicht. Die toleranzausgleichende Fixierung in radialer Richtung und in Richtung der Breite des aus Einzellagen aus flexiblem, permanentmagnetischem Werkstoff bestehenden Ringmagneten sowie die Montage der Einzellagen in der Hohlkammer des Rades unterdrücken weitgehend Relativbewegungen der Lagen untereinander und somit eine Veränderung des Magnetfeldes unter Einfluß äußerer Kräfte oder mechanischer Verspannung aufgrund von Temperatur.
Vorzugsweise besteht das Hohlrad und der Deckel aus nicht ferromagnetische:!! Material, beispielsweise Aluminium, Messing, hochlegierten Edelstahlen oder Kunststoff. Das Rad der Hohlkammer und der Deckel sind nach dem Zusammenbau fest miteinander verbunden, was beispielsweise durch eine Verschraubung mit nicht ferromagnetischen Schrauben geschehen kann. Das komplette, mit dem Ringmagneten bestückte Rad stellt eine in sich geschlossene, prüfbare Funktionseinheit dar.
Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, daß das Radteil oder Hilfsteile zur festen Verbindung an rotatorisch und/oder translatorisch bewegbaren Maschinenteilen aufweist.
0 Beispielsweise können Befestigungselemente oder Hilfsmittel zur Fixierung an rotatorisch und/oder translatorisch bewegten Maschinenteilen an dem Rad ausgebildet sein.
&iacgr;&ogr;
Weiterhin kann bevorzugt vorgesehen sein, daß der Ringmagnet nach dem Zusammenbau oder nach dem Einbau in das Rad aufmagnetisiert ist.
Vorzugsweise kann der Magnetring nach dem Zusammenbau im Rad aufmagnetisiert werden. Hierdurch kann auch ein definiertes, kodiertes Magnetfeld über der Rotation des Rades erzeugt werden.
Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Rad mit einem Ringmagneten in Stirnansicht, teilweise geschnitten,
Fig. 2 eine schematische Darstellung im Schnitt gesehen, und
Fig. 3 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung des Ringmagneten und eines Magnetfeldsensors, die zwei zueinander translatorisch und rotatorisch verstellbaren Maschinenteilen zugeordnet sind.
In der Zeichnung ist ein permanentmagnetischer Ringmagnet 1 gezeigt, der als Bestandteil einer Meßeinrichtung dienen kann, die einen einem ersten Bauteil 12 einer Maschine zugeordneten Magnetfeldsensor aufweist, der zusammenwirkt mit dem einem zweiten Bauteil 14 der Maschine zugeordneten Ringmagneten 1 zur Detektion bzw Überwachung von translatorischen und/oder rotatorischen Relativbewegungen zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 12,14 (Fig. 3). Der Ringmagnet 1 ist
dabei als flexibler Permanentmagnet ausgebildet und besteht aus einer Vielzahl von an einer Stoßstelle bzw. Stoßkante 2 offenen Ringen 3 unterschiedlicher Länge. In der Darstellung des Ringmagneten 1 in Figur 2 sind beispielsweise acht solcher Ringlagen gezeigt, in Figur 3 insgesamt 10 Ringlagen. Jede einzelne Ringlage besteht aus einem im Querschnitt rechteckigen Ring 3, wobei die benachbarten Ringe 3 flächig aneinanderliegen. Die Ringe 3 besitzen dabei eine sich parallel zu ihrer Höhenerstreckung orientierte, durch den Pfeil 15 in Fig. 3 symbolisierte Polung, sind polrichtig zueinander ausgerichtet und durch ihre magnetischen Anzugkräfte zusätzlich miteinander im Verbund gehalten. Die Dicke eines Ringes 3 kann beispielsweise etwa 1 mm betragen. Wie insbesondere aus Figur 1 ersichtlich, kann der aus Ringen 3 gebildete Ringmagnet 1 in eine ringförmige Hohlkammer eines Rades 4 eingelegt werden, wobei das Rad 4 aus nicht magnetxsierbarem Material besteht.
Die Hohlkammer des Rades 4 weist eine radial außenliegende Innenwandung 5 auf, an der der äußere Ring 3 des Ringmagneten 1 sich flächig abstützt. Die weiteren Lagen des Ringmagneten 1 stützen sich entsprechend aneinander ab. Ferner weist die Hohlkammer eine gerichtete Anlagefläche 6 auf, an der die benachbarten Seitenrandkanten der Ringe 3 anliegen, so daß die entsprechenden einseitigen Seitenrandkanten aller Ringe in einer gemeinsamen, von der Anlagefläche 6 gebildeten Ebenen liegen.
Die Hohlkammer ist durch einen, in der Seitenfläche des Rades 4 liegenden Deckel 7 geschlossen, der auf der der Anlagefläche 6 abgewandten Seite der Hohlkammer angeordnet
• ·
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ist. Der Deckel 7 kann beispielsweise mittels nicht
magnetisierbarer Schrauben 8 am Radkörper befestig sein.
Zu Figur 1 ist zwischen dem Deckel 7 und der dem Deckel 7 zugewandten Seitenfläche des Ringmagneten 1 eine Schicht aus elastomerem Werkstoff oder einem dauerelastischen
Verguß 9 vorgesehen, die in Fig. 3 in der Hohlkammer
selber plaziert ist.
Ferner weist die Hohlkammer des Rades 4 eine parallel zur radial außenliegenden Innenwandung 5 verlaufende
innenliegende Wandung auf, oder diese Wandung ist durch
einen ringartigen Vorsprung 10 des Deckels 7 gebildet, an der die Innenfläche des Ringes 1 anliegt, wobei auch hier elastomerer Werkstoff 11 dazwischengefügt ist.
15

Claims (20)

1. Vorrichtung zur berührungslosen Kontrolle der Lage zweier relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch verstellbarer Bauteile (12, 14), mit einem dem ersten Bauteil (12) zugeordneten, sich parallel zum Verstellweg erstreckenden Magnetfeldsensor (13) und einem dem zweiten Bauteil (14) zugeordneten, als flexibler Permanentmagnet ausgebildeten Ringmagneten (1) als magnetischer Erreger bzw. Positionsgeber, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (1) durch eine Mehrzahl von zu einem geschlossenen Ring (3) gebogenen, bandförmigen Stabmagneten (16) aus flexiblem permanentmagnetischem Werkstoff unterschiedlicher Länge gebildet ist, die in einem Stapel angeordnet das zweite Bauteil (14) in Umfangsrichtung umgeben.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ring (3) im Querschnitt rechteckig ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Ringe (3) flächig aneinander anliegen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Ringes (3) größer als 0 mm und kleiner als 3 mm ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Ringes (3) etwa 0,8 bis 1,5 mm beträgt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (3) eine parallel zu deren Höhenerstreckung orientierte Polung aufweisen, die einzelnen Ringe (3) polrichtig zueinander ausgerichtet und durch ihre magnetischen Anzugskräfte miteinander verbunden sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßkanten (2) der Ringe (3) nicht in einer radialen Linie angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßkanten (2) gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung der Stoßkanten (2) um den durch die Anzahl der Ringe (3) bestimmten Winkel in einem Drehsinn erfolgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung der Stoßkanten (2) um den durch die Anzahl der Ringe (3) bestimmten Winkel mit alternierendem Drehsinn erfolgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der aus den Ringen (3) gebildete Ringmagnet (1) in eine ringförmige Hohlkammer eines Rades (4) eingelegt ist, das aus nicht magnetisierbaren Material besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammer des Rades (4) eine radial außenliegende Innenwandung (5) aufweist, an der der äußere Ring (3) des Ringmagneten (1) sich flächig abstützt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammer eine radial gerichtete Anlagefläche (6) für die eine Seitenrandkante der Ringe (3) aufweist, so daß die entsprechenden einen Seitenrandkanten aller Ringe (3) in einer gemeinsamen von der Anlagefläche (6) gebildeten Ebene liegen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Anlagefläche (6) anliegende Ringfläche als Funktionsebene zur Aussteuerung von magnetfeldsensitiven Einrichtungen dient.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammer durch einen in der Seitenfläche des Rades (4) liegenden Deckel (7) geschlossen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (7) mittels nicht magnetisierbarer Schrauben (8) am Radkörper befestigt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Deckel (7) und der dem Deckel (7) zugewandten Seitenfläche des Ringmagneten (1) eine Schicht aus elastomerem Werkstoff oder aus einem dauerelastischen Verguß vorgesehen ist, der durch den Deckel (7) lagedefiniert gegebenenfalls mit definierter Vorspannung des Werkstoffes oder des Vergusses (9) gehalten ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammer eine parallel zur radial außenliegenden Innenwandung (5) verlaufende innenliegende Wandung aufweist, an der die Innenfläche des inneren Ringes (3) anliegt oder unter Zwischenordnung eines elastomeren Werkstoffes oder dauerelastischen Vergusses (11) anliegt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (4) Teile oder Hilfsteile zur festen Verbindung an rotatorisch und/oder translatorisch bewegbaren Maschinenteilen (12, 14) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (1) nach dem Zusammenbau oder nach dem Einbau in das Rad (4) aufmagnetisiert ist.
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EP1319489A2 (de) * 2001-09-14 2003-06-18 Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Elektrische Spritzgiessmaschine

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