DE102010016333A1

DE102010016333A1 - Kniehebelspannvorrichtung

Info

Publication number: DE102010016333A1
Application number: DE102010016333A
Authority: DE
Inventors: Jens Müller
Original assignee: Turck Holding GmbH
Current assignee: Turck Holding GmbH
Priority date: 2010-04-06
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-04-07
Also published as: DE102010016333B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung mit einer in einem Gehäuse (1) drehbar gelagerten Antriebswelle (6), an der an einer ersten Axialposition insbesondere über ein Kniehebelgelenk (17, 18, 19) eine Kolbenzylindereinheit angreift, um einen Spannarm (2) in eine Spannstellung zu verschwenken, um in der Spannstellung eine am Spannarm (2) angeordnete Spannbacke (3) in eine definierte Abstandsstellung zu einer zweiten Spannbacke (4) zu bringen, in welcher Spannstellung ein Werkstück (5) mit einer zum Abstand der beiden Spannbacken (3, 4) korrespondierenden Materialstärke von einer Spannkraft gehalten ist. Um eine solche Spannvorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass Fehlbestückungen der Spannbacken erkannt werden können, wird eine Winkelerfassungseinrichtung (7–15) zur Erfassung des Schwenkwinkels des Spannarms (2) gegenüber dem Gehäuse (1) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Antriebswelle, an der an einer ersten Axialposition insbesondere über ein Kniehebelgelenk eine Kolbenzylindereinheit angreift, um einen Spannarm in eine Spannstellung zu verschwenken, um in der Spannstellung eine am Spannarm angeordnete Spannbacke in eine definierte Abstandsstellung zu einer zweiten Spannbacke zu bringen, in welcher Spannstellung ein Werkstück mit einer zum Abstand der beiden Spannbacken korrespondierenden Materialstärke von einer Spannkraft gehalten ist.
Eine derartige Spannvorrichtung mit einem Kniehebelgelenk beschreibt die DE 8 307 606 . Diese Kniehebelspannvorrichtung besitzt ein Gehäuse, in welchem sich ein mit Anschlüssen zum Anschluss von Pressluftleitungen oder Hydraulikleitungen versehener Zylinder befindet. Innerhalb des Zylinders befindet sich ein linearer verschiebbare Kolben, der durch die in den Zylinder eingebrachte Pressluft bzw. Hydraulikflüssigkeit zwischen zwei Endstellungen hin und her verlagert werden kann. Am Kolben ist eine Kolbenstange befestigt. Das Ende der Kolbenstange ist mit einem Antriebslenker mit einem Antriebsarm verbunden, der an einer ersten Axialposition mit einer Antriebswelle drehfest verbunden ist. Durch Bewegen des Kolbens zwischen seinen beiden Endstellungen kann die Antriebswelle um etwa 90° verschwenkt werden. In einer der beiden Endstellungen liegen Antriebsarm und Kolbenstange in etwa parallel zueinander. In dieser Stellung befindet sich der Antriebslenker in einer im Wesentlichen quer dazu ausgerichteten Übertotpunktlage, sodass die Antriebswelle nicht durch äußere Kräfte zurückgedreht werden kann. Um dennoch eine Handbetätigung zu ermöglichen, kann ein Handhebel vorgesehen sein, mit dem die Übertotpunktlage ausgehoben werden kann. An einer anderen Axialposition trägt die Antriebswelle einen Spannarm.
Kniehebelspannvorrichtungen dieser Art werden in der automatisierten Automobilfertigung verwendet, um zu bearbeitende Werkstücke, insbesondere zu bearbeitende Bleche, zwischen zwei Spannbacken einzuspannen. Die Bleche werden in der Spannstellung zwischen den Spannbacken durch eine Spannkraft gehalten. Diese Spannkraft kann durch beim Spannen gespannte Federelemente aufgebracht werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Spannkraft von einer elastischen Durchbiegung des Spannarmes oder von einer elastischen Torsion der Antriebsachse aufgebracht wird. Der Abstand der beiden Spannbacken ist so an die Materialstärke des zu haltenden Werkstücks angepasst, dass die Kniehebelanordnung die Spannbacken in einer Übertotpunktlage hält. Bei den in der Fertigung eingesetzten Spannvorrichtungen sind Sensoren vorgesehen, mit denen die beiden Endstände des Kolbens ermittelbar sind. Mit den Sensoren ist es somit möglich, grob festzustellen, ob die Spannbacken geschlossen sind oder ob die Spannbacken geöffnet sind.
Sensoren die einen Spulenträger mit einer Anregungsspule und einer Sensorspule aufweisen und die mit einem Resonator zusammenwirken, werden in der EP 0 760 087 B2 bzw. in deren deutschen Übersetzung DE 6 950 2283 T3 beschrieben. Ein Drehwinkelgeber, der nach diesem Funktionsprinzip arbeitet, wird explizit in der EP 1 078 226 B1 bzw. deren deutschen Übersetzung DE 6 991 2273 T2 beschrieben. Die WO 2008/139216 A2 beschreibt einen Spulenträger mit um ein Zentrum angeordneten Spulen.
In einer automatischen Fertigung sind Fehler nicht zu vermeiden. Es kann deshalb vorkommen, dass anstelle nur eines Werkstücks, beispielsweise nur einem zu stanzenden oder anderweitig zu bearbeitenden Blech zwei übereinanderliegende Bleche an die Bearbeitungsposition gebracht worden sind, wo sie von ein oder mehreren Spannvorrichtungen der in Rede stehenden Art gehalten werden. Es ist nicht auszuschließen, dass der Kolben auch dann seine der Spannstellung entsprechenden Endstellung erreichen kann, wenn zwischen den Spannbacken an Stelle eines, zwei Bleche eingespannt worden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Spannvorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass Fehlbestückungen der Spannbacken erkannt werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung. Es wird eine Winkelerfassungseinrichtung vorgeschlagen zur Erfassung des Schwenkwinkels des Spannarmes gegenüber dem Gehäuse.
Der Spannarm kann an einer zweiten Axialposition an der Antriebswelle befestigt sein. Diese zweite Axialposition liegt entfernt von der ersten Axialposition, sodass die Welle beim Aufbringen der Spannkraft tordieren kann. Die Winkelerfassungseinrichtung ist deshalb bevorzugt an der zweiten Axialposition angeordnet. Das Kniehebelgelenk kann einen Antriebslenker aufweisen, der derart mit seinem Antriebsende an einer Kolbenstange der Kolbenzylindereinheit und mit seinem Abtriebsende an einem drehfest an der ersten Axialposition mit der Welle befestigten Antriebsarm angelenkt ist, dass die Antriebswelle in der Spannstellung durch die Übertotpunktstellung des Antriebslenkers gehalten ist. Die Winkelerfassungseinrichtung besitzt bevorzugt mehrere elektromagnetisch und berührungslos miteinander zusammenwirkende Elemente. Ein erstes Element ist drehfest dem Gehäuse und ein zweites Element fest der Welle zugeordnet. Das zweite Element sitzt bevorzugt am Spannarm, sodass Torsionseffekte der Welle zur Ermittlung der Abstandslage der beiden Spannbacken über den von der Winkelerfassungseinrichtung gemessenen Winkel keinen Einfluss besitzen. Nicht nur die Antriebsachse bildet wegen ihrer Torsionsfähigkeit ein Federelement zwischen der Kolbenzylindereinheit und dem Spannarm. Auch der Antriebsarm und andere Elemente des Antriebsgetriebe haben federelastische Eigenschaften, sodass der Spannarm in der Übertotpunktstellung durchaus verschiedene Schwenkstellungen einnehmen kann. Da die Winkelerfassungseinrichtung bevorzugt am Spannarm sitzt und dessen Verschwenkstellung gegenüber dem Gehäuse ermittelt, ist die tatsächliche Spannstellung ermittelbar. Beim Spannen treten insbesondere beim Überschreiten der Übertotpunktlage erhebliche Kräfte auf. Diese führen im Laufe der Zeit zu Verschleiß im Kniehebelgelenk und insbesondere auch im Drehlager der Antriebswelle und in der Verbindung zwischen Antriebswelle und Spannarm. Mittels eines optionalen Wegerfassungselementes, mit welchem die Position des Kolbens bzw. der Kolbenstange gegenüber dem Gehäuse ermittelbar ist, kann in Kombination mit der Winkelerfassungseinrichtung ein Verschleiß erkannt werden. Insbesondere ist es möglich, den Verschleiß in Form einer Verschleißkurve beispielsweise in einer Darstellung des zurückgelegten Weges des Kolbens gegenüber dem Drehwinkel sichtbar zu machen. Die Spannvorrichtung kann zwei an der Welle befestigte Spannarmabschnitte aufweisen. Diese Spannarmabschnitte bilden die Enden zweier U-Schenkel. Vom U-Steg ragt ein Endabschnitt des Spannarmes ab, an dem eine Spannbacke befestigt ist. Die beiden Armabschnitte sind jeweils mit einem Ende der Antriebswelle befestigt. Die Befestigungsstellen liegen außerhalb des Gehäuses. Es ist aber auch möglich, dass die Spanneinrichtung nur eine Befestigungsstelle für den Spannarm aufweist. Das gehäusefeste Element der Winkelmesseinrichtung ist bevorzugt außenseitig einer eine Lagerdurchführung für die Antriebswelle aufweisenden Gehäusewand angeordnet. Bei den beiden Elementen kann es sich um einen Spulenträger einerseits und um einen Resonator andererseits handeln. Bevorzugt ist der Spulenträger gehäusefest angeordnet und der Resonator drehfest mit dem Spannarm verbunden. Es ist aber auch möglich, den Resonator gehäusefest anzuordnen und den Spulenträger am Spannarm zu befestigen. Die Winkelerfassungseinrichtung besitzt einen insbesondere von einer Leiterplatte ausgebildeten Spulenträger. Auf diesem ist eine Spulenanordnung angeordnet, die sich zumindest im Bereich des Schwenkwinkels um die Antriebswelle erstreckt. Die Spulenanordnung kann aus mehreren Spulen bestehen. Das gegenüber dem Spulenträger beweglich Element ist ein Resonator, der eine Resonatorspule und einen Resonatorkondensator aufweist. Der Spulenträger besitzt bevorzugt zumindest eine um die Antriebswelle angeordnete Anregungsspule. Diese Anregungsspule ist mit einem Frequenzgenerator verbunden, der einen Wechselstrom mit einer Frequenz von beispielsweise einem Megahertz liefert. Dieser Wechselstrom wird in die Anregungsspule eingekoppelt, sodass diese ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Der Resonator ist derart angeordnet, dass das magnetische Wechselfeld im Resonator eine Resonanzschwingung anregt. Die Resonatorspule bildet hierzu mit dem Resonatorkondensator einen Schwingkreis mit einer Oszillatorfrequenz, die der Frequenz des Frequenzgenerator gelieferten Wechselstroms entspricht. Die Resonatorspule ist hierzu bevorzugt achsparallel zur Anregungsspule angeordnet. Ihre Spulenfläche überstreicht beim verschwenken der Antriebswelle die Spulenfläche der Anregungsspule. Die Achse der Resonatorspule kann aber auch quer zur Achse der Antriebswelle bzw. zu der Achse der Anregungsspule verlaufen und in Radialrichtung verlaufen. Der Resonator erzeugt somit ein magnetisches Resonanzfeld. Der Spulenträger weist darüber hinaus zumindest eine um die Antriebswelle angeordnete Sensorspule auf. Sensorspule und Anregungsspule können sich bereichsweise überlappen. Zumindest ist aber vorgesehen, dass mit dem Resonanzfeld in der Sensorspule eine Sensorspannung induziert wird. Hierzu ist die Sensorspule so angeordnet, dass ihre Fläche von der Spulenfläche der verschwenken den Resonatorspule überlappt wird. Die eingangs genannten Druckschriften machen detaillierte Angaben
über das Wirkprinzip einer derartigen Winkelmesseinrichtung. Der Resonator wird von einem Resonatorträger derart gehalten, dass die Achse der Resonatorspule achsparallel zur Antriebswelle verläuft. Die Anregungsspule und/oder die Sensorspule können Spulenwindungen aufweisen, die verschieden große Flächen umschließen. Die Anregungsspule und die Sensorspule werden jeweils von Leiterbahnen einer Leiterplatte ausgebildet. Die beiden Leiterbahnen können auf den beiden voneinander wegweisenden Seiten der Leiterplatte angeordnet sein, sodass beispielsweise die Anregungsspule auf der Vorderseite und die Sensorspule auf der Rückseite der Leiterplatte sitzen. Es kann sich aber auch um eine drei- oder vierschichtige Platine handelnd, sodass eine oder mehrere der Spulen in Zwischenschichten liegen. Die Sensorspule kann von einer Anregungsspule umgeben sein. Die 3 der DE 103 18 350 B3 zeigt eine derartige, auf einer Kreisfläche verlaufende Spule. Beide Spulen können auf derselben Platinenseite angeordnet sein. Dieselbe, jedoch um 90° versetzt angeordnete Spulenanordnung, kann auf der Platinenrückseite angeordnet sein. Die Anregungsspule besitzt bevorzugt radial äußere Windungen, die über einen Radialsteg mit radial inneren Windungen verbunden sind, wobei die radial äußeren Windungen entgegengesetzt verlaufen zu den radial inneren Windungen. Von den aufgedruckten Leiterbahnen werden bevorzugt ineinander geschachtelte Kreisbogenabschnitte ausgebildet, die jeweils von einer Windung eingefasst sind. Dabei handelt es sich bevorzugt um eine Sensorspule. Besitzt die Leiterplatte sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite Spulensysteme, so liegen die beiden Spulen in Umfangsrichtung derart versetzt zueinander, dass das Zentrum der den kleinsten Kreisbogenflächenabschnitt einfassenden Windung der einen Spule etwa auf dem Rand der den größten Kreisbogenflächenabschnitt einfassenden Windung der anderen Spule liegt. Die von den Windungen eingefassten Flächen, müssen aber nicht notwendigerweise Kreisbogenflächenabschnitte sein. Es können auch Polygone oder ovale Flächen sein. Bevorzugt ist jedoch, dass die Anregungsspule oder die Sensorspule Planarspulen sind, mit ineinander geschachtelten Windungsflächen unterschiedlichen Durchmessers, sodass sie Umfangspositionen ergeben, bei denen unterschiedliche Windungszahlen im Bereich der Resonatorspule liegen. Die Anregungsspule kann somit derartig ausgebildet sein, dass das von dem in ihr
fließenden Wechselstrom erzeugte magnetische Wechselfeld innerhalb des Resonators ein winkelabhängiges Resonanzfeld erzeugt. Andererseits oder auch in Kombination dazu kann die Sensorspule so ausgebildet sein, dass die in ihr induzierte Sensorspannung auch dann drehwinkelabhängig ist, wenn das Resonanzfeld selbst nicht drehwinkelabhängig ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: in perspektivischer Darstellung einer Spannvorrichtung mit einem Gehäuse nebst einem Gestell,
2: die Seitenansicht der Anordnung gemäß 2,
3: die Rückansicht der Anordnung gemäß 1,
4: eine Explosionsdarstellung der Winkelerfassungseinrichtung,
5: ein Schnitt gemäß der Linie V-V in 3,
6: bezogen auf die Darstellung gemäß 5 eine Rückansicht der Leiterplatte 9,
7: einen Schnitt gemäß der Schnittlinie VII-VII in 3,
8: eine Innenansicht auf die Kniehebelanordnung im Kopf des Gehäuses 1 in einer Betriebsstellung, die der Offenstellung der Spannbacken 3, 4 entspricht,
9: eine Darstellung gemäß 8 mit in Richtung der Geschlossenstellung verlagerter Kolbenstange 19 und
10: eine Folgedarstellung zu 9 mit einer Betriebsstellung, die der Geschlossenstellung der Spannbacken 3, 4 entspricht, und in der der Antriebslenker 18 eine Übertotpunktlage einnimmt.
Die Spannvorrichtung besitzt ein Gehäuse 1 mit einem Zylinderabschnitt 22, in dem sich ein nicht dargestellter Zylinder befindet, in dem ein ebenfalls nicht dargestellter Kolben zwischen zwei Endstellungen verlagert werden kann. Die Verlagerung des Kolbens erfolgt in bekannter Weise durch Druckluft oder durch eine Pneumatikflüssigkeit.
Der nicht dargestellte Kolben ist mit einer Kolbenstange 19 verbunden, die in den 8 bis 10 dargestellt ist. Die Kolbenstange 19 ist in Gehäuse 1 linear geführt. Im Bereich der Führung der Kolbenstange 19 sitzen zwei Endstellungssensoren 20, 21. Es kann sich hierbei um Näherungsschalter oder um Reed-Elemente handeln, die mit einem Magneten zusammenwirken, der von der Kolbenstange 19 getragen wird. Am freien Ende Kolbenstange 19 ist ein Antriebslenker 18 angelenkt. Hierzu ist der Antriebslenker 18 an seinem Lagerende 18' gelenkig mit dem freien Ende der Kolbenstange 19 verbunden. Das andere Ende 18'' des Antriebslenker 18 ist mit dem freien Ende eines Antriebsarmes 17 verbunden, der radial von einer Antriebswelle 6 abragt. Durch eine Beaufschlagung des Kolbens mit Druckluft verlagt sich die Kolbenstange 19 von der in der 18 dargestellten Position über die in 9 dargestellte Zwischenstellung in die in 10 dargestellte Endstellung. In dieser Endstellung verlaufen Antriebsarm 17 und Kolbenstange 19 im Wesentlichen etwa parallel zueinander. Der Antriebslenker 18 erstreckt sich quer zur Kolbenstange 19. Der Winkel zwischen Antriebslenker 18 und Antriebsarm 17 ist etwas geringer als 90°, weshalb hier nicht von einer exakten Parallelstellung des Antriebsarmes 17 zur Kolbenstange 19 gesprochen werden kann. Der Antriebslenker 18 nimmt in dieser, in der 10 dargestellten Stellung eine Übertotpunktlage ein. Wird ein Drehmoment auf die Antriebswelle 6 aufgebracht, so wird dieses über den Antriebsarm 17 in den Antriebslenker 18 abgeleitet. Da vom Antriebslenker 18 keine Kraftkomponente in Verlagerungsrichtung der Kolbenstange 19 in Richtung ihrer in der 8 dargestellten Endstellung ausgeht, liegt eine Übertotpunktstellung vor. Die Antriebswelle 6 kann somit nur durch eine Rückverlagerung des Kolbens bzw. der Kolbenstange 19 in die in 8 dargestellte Stellung gedreht werden.
Am Kolben oder an der Kolbenstange 19 kann ein Magnet angeordnet sein, der mit zwei in den Zeichnungen lediglich mit den Bezugsziffern 20 und 21 angedeuteten Endstellungssensoren zusammenwirkt, um zu ermitteln, ob die Kolbenstange 19 eine ihrer beiden Endstellungen erreicht hat. Zusätzlich kann die Kolbenstange 19 oder der nicht dargestellte Kolben mit einer Wegerfassungseinrichtung verbunden sein. Die Wegerfassungseinrichtung ist in der Lage, ein vom zurückgelegten Weg des Kolbens proportionales elektrisches Signal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, zu liefern. Es kann sich bei dem Wegerfassungselement um ein Linearpotentiometer oder ein Drehpotentiometer, welches über ein Schneckengetriebe angetrieben wird, oder um ein optisches oder auch ein Radar-System handeln.
Zur manuellen Rückstellung der Antriebswelle 6 kann ein nicht dargestellter Handhebel vorgesehen sein, der ein Rückverlagerungsmoment unmittelbar auf die Kolbenstange 19 ausübt.
Die 1 und 2 zeigen den typischen Anwendungsfall einer Spannvorrichtung des Ausführungsbeispiels. Die im Gehäusekopf 1 gelagerte Antriebswelle 6 trägt an ihren beiden Enden jeweils einen Armabschnitt 2'' eines Spannarmes 2. Der Armabschnitt 2'' besitzt eine Vierkantöffnung 25 in die ein Vierkantabschnitt 24 des Endes der Antriebswelle 6 eingreift.
Der Einfachheit halber ist der gesamte, U-förmige Spannarm 2, von dessen U-Steg ein dritter Armabschnitt 2'' abragt, einstückig gezeichnet. In der Realität kann der gesamte Spannarm 2 aber mehrstückig sein, insbesondere um ihn montieren zu können. Der Armabschnitt 2'' trägt eine erste Spannbacke 3. Die erste Spannbacke 3 wirkt mit einer an einem Gestell 23 befestigten zweiten Spannbacke 4 zusammen, um in einer Spannstellung, wie sie die 2 zeigt, ein Werkstück 5 zwischen den beiden Spannbacken 3, 4 einzuspannen.
Die in den Zeichnungen im Wesentlichen schematisch dargestellte Spannvorrichtung wird in der automatisierten Fertigung verwendet. Insbesondere werden eine Vielzahl derartiger Spannvorrichtungen in der Automobilfertigung und speziell in der dortigen Blechumformung angewendet. Sie befinden sich an Umformstationen und haben die Aufgabe, das umzuformende Blech in Position zu halten. Die Spannstellung entspricht dabei der in der 10 dargestellten Übertotpunktstellung. In dieser Stellung haben die beiden Spannbacken 3, 4 einen Abstand zueinander, der etwas geringer ist, als die Materialstärke des zu spannenden Werksstücks 5. Mit dem verbleibenden Unterschied wird eine elastische Verformung erreicht, um eine Spannkraft aufzubringen.
Mit den beiden in den 8 bis 10 angedeuteten Endstellungssensoren 20 und 21 lässt sich zwar die Endstellung des Kolben erkennen, nicht jedoch die Endstellung des Spannarmes 2. Detektiert der Sensor 20 die Anwesenheit eines nicht dargestellten magnetischen Auslösers an der Kolbenstange 19, so heißt das nur, dass der Kolben seine Endstellung erreicht hat, nicht jedoch, dass die Spannbacken 3, 4 vorschriftsmäßig geschlossen sind. Mit den Endstellungssensoren 20, 21 kann somit nicht der Fehler erfasst werden, der auftritt, wenn anstelle nur eines Werkstücks 5 also anstelle nur eines Blechs zwei übereinanderliegende Bleche zwischen den Spannbacken 3, 4 eingespannt werden.
Um diesen Fehler erfassen zu können, besitzt die Spannvorrichtung eine Winkelerfassungseinrichtung bzw. Winkelmesseinrichtung, mit der der Schwenkwinkel des Spannarms 2 ermittelbar bzw. messbar ist. Es handelt sich dabei um eine elektromagnetisch und berührungslos arbeitender Sensoranordnung bestehend aus einem Resonator 8, der mit Hilfe eines Resonatorträgers 7 drehfest am Spannarm 2 im Bereich der Antriebswelle 6 befestigt ist, und um einen Spulenträger 9 der drehfest am Gehäuse und insbesondere an einer Gehäuseaußenwand 1' befestigt ist.
Aus der Darstellung gemäß 7 geht hervor, dass der Antriebsarm 17 an einer ersten Axialposition an der Antriebswelle 6 angreift, die in Lagerdurchführungen 16, 16' des Gehäuses 1 gelagert ist. Der Resonartorträger 7 befindet sich an einer zweiten Axialposition der Antriebswelle 6, die von der ersten Axialposition, also vom Antriebsarm 17 axial beabstandet ist, sodass sich die Antriebswelle 6 in diesem Bereich geringfügig verwinden kann.
Der Resonator 8 besitzt eine Resonatorspule 10. Die Resonatorspule 10 kann eine gewickelte Spule sein. Es kann sich aber auch um eine Planaarspule handeln. Die von den Wicklungen der Resonanzspule 10 definierte Achse verläuft parallel zur Antriebswelle 6. Die Spulenfläche der Resonatorspule 10 verläuft hingegen mit Abstand parallel zur Spulenanordnung der Leiterplatte 9.
Die Resonatorspule 10 ist mit einem Resonatorkondensator 11 zu einem Schwingkreis geschaltet. Der Schwingkreis besitzt eine Eigenfrequenz, die etwa ein Megahertz beträgt.
Die Leiterplatte 9 bildet einen Spulenträger aus. Auf der Frontseite und auf der Rückseite der Leiterplatte 9 befindet sich jeweils eine aus zwei Teilspulen bestehende Spulenanordnung 12, 14. Eine erste Spulenanordnung 12 bildet eine Anregungsspule aus. Die Anregungsspule 12 besitzt zwei gegensinnig aneinander gekoppelte Teilspulen 12', 12''. Die Teilspule 12' ist eine Ringspule mit einem großem Durchmesser. Die Teilspule 12'' ist eine Ringspule mit einem kleinem Durchmesser. Beide Ringspulen 12', 12'' haben lediglich zwei Windungen und sind über einen radialen Steg 12''' miteinander verbunden. Die Spulenanordnung 12 umgibt die Antriebswelle 6. Die Sensorspule 14 besteht aus zwei jeweils 90°-Bögen umfassende Teilspulen, wobei jede der beiden Bogenspulen 14 zwischen der äußeren Windung 12' und der inneren Windung 12'' der Anregungsspule 12 liegt. Jede der beiden Teilspulen der Anregungsspule 14 besitzt ineinander geschachtelte Windungen 14', 14'', die verschieden große Spulenflächen 15, 15' besitzen. Eine größte Windung 14' umschließt beispielsweise eine größte Spulenfläche 15. Ein innerste Windung 14'' umschließt beispielsweise eine kleinste Fläche 15'. Die Flächen 15, 15' erstrecken sich über Kreisbogenabschnitte.
Die Anregungsspule 12 wird von einem nicht dargestellten Frequenzgenerator mit einem hochfrequenten Wechselstrom bestromt, dessen Frequenz der Eigenfrequenz des Resonators 8 entspricht. Die Stromrichtung in den einzelnen Windungen sind mit Pfeilen bezeichnet. Die Versorgungsspannung für die Anregungsspule 12 wird über die Kontakte 13, 13' eingespeist.
Die 6 zeigt dieselbe Anordnung wie die 5, jedoch um 90° versetzt. Die Anregungsspule 12 ist über die Kontakte 13, 13' mit der Anregungsspule 12 der Vorderseite der Leiterplatte 9 verbunden. Die beiden in den Sensorspulen der Vorder- und der Rückseite induzierten Spannungen können von einer Auswerteschaltung in ein Verhältnis zueinander gesetzt werden, sodass sich Ungenauigkeiten, die von einem variierenden Abstand zum Resonator 8 herrühren, ausgemittelt werden.
Mit der Sensorspule 14 wird ein Resonatorfeld gemessen, wobei die in der Sensorspule induzierte Sensorspannung drehwinkelabhängig ist.
Jede Teilspule der Sensorspule 14 besitzt einen Satz von ineinander geschachtelten Sensorwicklungen, die auf einer ebenen gedruckten Leiterplatte 9 ausgebildet sind. Der Resonator 8 bildet einen Magnetfeldgenerator, der von den Sensorwicklungen der Sensorspule 14 beabstandet ist und der in der Lage ist, ein Signal in den Sensorwicklungen zu induzieren, das von der relativen Winkelstellung zwischen den vom Resonator 8 gebildeten Magnetfeldgenerator und den von der Sensorspule 14 gebildeten Sensorwicklungen abhängt. Um dies zu erreichen, müssen entweder die Sensorwicklungen geometrisch um den Messweg geformt werden, sodass sie eine veränderliche Empfindlichkeit für das vom Resonator erzeugte Magnetfeld haben und/oder der Resonator 8 muss in der Lage sein, ein sich räumlich änderndes Magnetfeld zu erzeugen. In beiden Fällen führt die relative Drehung zwischen dem Resonator 8 und den Sensorwicklungen der Sensorspule 14 zu einem Ausgangssignal, das sich abhängig von der relativen Winkelstellung zwischen beiden ändert.
Der Resonator 8 wird von dem von der Anregungsspule 12 erzeugten Magnetfeld angeregt. Die Anregungsspule 12 besitzt geometrisch um den Messweg geformt Spulenwicklungen, die ein von der relativen Winkelstellung zum Resonator 8 unabhängiges magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses Anregungsfeld regt den Resonator 8 zu einer Resonanzschwingung an. Der Resonator erzeugt ein Resonanzfeld, welches in der Sensorspule 14 eine Sensorspannung induziert, die drehwinkelabhängig ist.
Die Sensorspannung wird von einer nicht dargestellten Auswerteschaltung ausgewertet. Weicht die Drehstellung des Spannarmes 2 von seiner Sollendstellung ab, so misst die Auswerteschaltung eine von der Sollspannung abweichende Sensorspulenspannung. Auf diese Weise kann erkannt werden, ob die beiden Spannbacken 3, 14 ihren Sollabstand in der Spannstellung einnehmen.
In den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde lediglich ein Resonator 8 verwendet. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Resonatoren zu verwenden, beispielsweise die Resonatoren 8 am Resonatorträger um 90° oder 180° versetzt anzuordnen.
Es ist vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Winkelerfassungseinrichtung das zuvor genannte Wegerfassungselement vorgesehen ist, mit dem die Linearstellung des Kolben ermittelbar ist. Die Messwerte des Wegerfassungselementes und der Winkelerfassungseinrichtung können miteinander kombiniert werden, um Verschleiß zu ermitteln. Ferner ist vorgesehen, dass der Spannarm 2 aus einem sehr steifen Material besteht, sodass elastische Verformungen im Wesentlichen nur im Kniehebelgelenk 17, 18, 19 bzw. in der Antriebswelle 6 stattfinden. Diese elastischen Verformungen können ebenfalls direkt bestimmt werden, wenn zusätzlich zur Winkelerfassungseinrichtung 7 bis 15 ein Wegerfassungselement vorgesehen ist, um die jeweilige Betriebsstellung des Kolbens oder der Kolbenstange zu erfassen.
Die Windungen von Anregungsspule 12 bzw. Sensorspule 14 können so angeordnet sein, dass die Anregungsspule 12 ein Erregerfeld erzeugt, dessen Feldstärke bezogen auf den Umfangswinkel etwa einen Cosinus- oder einen Sinusverlauf besitzt. Die bevorzugt um 90° dazu versetzt liegende Sensorspule 14 kann eine Empfindlichkeit aufweisen, die ebenfalls einen Cosinus- oder einen Sinusverlauf bezogen auf den Umfangswinkel besitzt.
Es können zwei Spulenanordnungen mit unterschiedlicher Feinheit vorgesehen sein. Mit einer ersten Spulenanordnung lässt sich die grobe Winkelstellung ermitteln, mit einer zweiten Spulenanordnung ein Feinwert des Drehwinkels.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Spannarm
3: Spannbacke
4: Spannbacke
5: Werkstück
6: Antriebswelle
7: Resonatorträger
8: Resonator
9: Leiterplatte
10: Resonatorspule
11: Resonatorkondensator
12: Anregungsspule
12'': Verbindungssteg
13: Kontaktpunkt
14: Sensorspule
15: größte Spulenfläche
16: Lagerdurchführung
17: Antriebsarm
18: Antriebslenker
19: Kolbenstange
20: Endstellungssensor
21: Endstellungssensor
22: Zylinderabschnitt
23: Gestell
24: Vierkantabschnitt
25: Vierkantöffnung
1': Gehäuseaußenwand
2': Spannarm
2'': Spannarm
3': Armabschnitt
12': äußere Windung
12'': innerste Windung
13': Kontaktpunkt
14': äußerste Wicklung
14'': innerste Wicklung
15': kleinste Spulenfläche
16': Lagerdurchführung
18': Lagerende
18'': Antriebsende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 8307606 [0002]
EP 0760087 B2 [0004]
DE 69502283 T3 [0004]
EP 1078226 B1 [0004]
DE 69912273 T2 [0004]
WO 2008/139216 A2 [0004]
DE 10318350 B3 [0008]

Claims

Spannvorrichtung mit einer in einem Gehäuse (1) drehbar gelagerten Antriebswelle (6), an der an einer ersten Axialposition insbesondere über ein Kniehebelgelenk (17, 18, 19) eine Kolbenzylindereinheit angreift, um einen Spannarm (2) in eine Spannstellung zu verschwenken, um in der Spannstellung eine am Spannarm (2) angeordnete Spannbacke (3) in eine definierte Abstandsstellung zu einer zweiten Spannbacke (4) zu bringen, in welcher Spannstellung ein Werkstück (5) mit einer zum Abstand der beiden Spannbacken (3, 4) korrespondierenden Materialstärke von einer Spannkraft gehalten ist, gekennzeichnet durch eine Winkelerfassungseinrichtung (7–15) zur Erfassung des Schwenkwinkels des Spannarms (2) gegenüber dem Gehäuse (1).
Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das Kniehebelgelenk einen Antriebslenker (18) aufweist, der derart mit seinem Antriebsende (18') an einer Kolbenstange (19) der Kolbenzylindereinheit und mit seinem Abtriebsende (18'') an einem drehfest an der ersten Axialposition mit der Antriebswelle (6) befestigten Antriebsarm (17) angelenkt ist, das die Antriebswelle (6) in der Spannstellung durch eine Übertotpunktstellung des Antriebslenkers (18) gehalten ist.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelerfassungseinrichtung (7–15) mehrere elektromagnetisch insbesondere berührungslos miteinander zusammenwirkende Elemente (8, 9) aufweist, wobei ein erstes Element (9) fest am Gehäuse (1) und ein zweites Element (8) fest an der Welle sitzt.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Element (9) außenseitig einer eine Lagerdurchführung (16) für die Antriebswelle (6) aufweisenden Gehäusewand (1') angeordnet ist.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelerfassungseinrichtung (7–15) einen insbesondere von einer Leiterplatte (9) ausgebildeten Spulenträger aufweist, mit einer zumindest im Bereich des Schwenkwinkels um die Antriebswelle (6) angeordneten Spulenanordnung (12, 14) und einen mit der Spulenanordnung (12, 14) zusammenwirkenden Resonator (8).
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der insbesondere gehäusefeste Spulenträger (9) mindestens eine um die Antriebswelle (6) sich zumindest teilweise erstreckende Anregungsspule (12) aufweist, in die ein von einem Frequenzgenerator erzeugter Wechselstrom eingekoppelt wird, sodass dieser ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, durch welches der Resonator (8) zum Erzeugen eines magnetischen Resonanzfeldes angeregt wird, und mindestens eine ebenfalls zumindest teilweise um die Antriebswelle (6) angeordnete Sensorspule (14) aufweist, in welcher das Resonanzfeld eine Sensorspannung induziert, wobei die Spulen (12, 14) derart gestaltet und angeordnet sind, dass die Sensorspannung drehwinkelabhängig ist.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (8) eine oder mehrere mit einem Resonatorträger (7) insbesondere achsparallel an der Antriebswelle befestigte Resonatorspulen (10) aufweist, die zusammen mit jeweils einem Resonatorkondensator (11) jeweils einen Schwingkreis ausbilden.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsspule (12) und/oder die Sensorspule (14) Spulenwindungen (12', 12''; 14', 14'') aufweist, die verschieden große Flächen (13', 13''; 15', 15'') aufweisen.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsspule (12) eine Feldstärke erzeugt, die eine Cosinusabhängigkeit vom Umfangswinkel besitzt, und die Sensorspule (14) eine Empfindlichkeit aufweist, die eine um 90° versetzt dazu liegende Cosinusabhängigkeit vom Umfangswinkel besitzt.
Spannvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein Wegerfassungselement, mit der die lineare Position des Kolbens oder der Kolbenstange (19) gegenüber dem Gehäuse (1) erfassbar ist, um diese Position mit dem von der Winkelerfassungseinrichtung (7 bis 15) erfassten Schwenkwinkel des Spannarms (2) in eine Beziehung zu setzen.