DE10248142B3

DE10248142B3 - Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung in einem metallischen Bauelement, sowie metallisches Bauelement mit einer magnetisch abtastbaren Codierung

Info

Publication number: DE10248142B3
Application number: DE2002148142
Authority: DE
Inventors: Detlef Martwich; Jens Dr. Storjohann; Andreas Dr. Röpke; Mathias Dr. Jotter
Original assignee: Kuhnke GmbH
Current assignee: Kuhnke GmbH
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2022-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung in einem metallischen Bauelement sowie ein metallisches Bauelement mit einer entsprechenden magnetisch abtastbaren Codierung. Die Codierung besteht aus Codeelementen, die dadurch erzeugt werden, dass in dem Bauelement bleibende Gefügeveränderungen mit einer magnetischen Leitfähigkeit erzeugt werden, die von derjenigen des unbehandelten Materials des Bauelementes abweicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung in einem metallischem Bauelement sowie ein metallisches Bauelement mit einer magnetisch abtastbaren Codierung.
In vielen Gebieten der Technik sind maschinell auslesbare Codierungen von Bauteilen erforderlich, beispielsweise zur Identifizierung oder Positionsbestimmung von Bauteilen. Beispielsweise werden auf Kolbenstangen von Hydraulik- oder Pneumatikzylinder magnetisch auslesbare Codierungen aufgebracht, um die Position der Kolbenstangen für eine genaue Lageregelung bestimmen zu können. Diese Codierungen sind häufig in Form von Magnetelementen bzw. Hartmagneten ausgebildet, welche an den beweglichen Bauteilen angebracht sind und von entsprechenden Sensoren, beispielsweise Hall-Sensoren oder Reed-Kontakte erfasst werden. Die Hartmagnete sind entweder als Streifen ausgebildet, welche auf die Oberfläche des Bauteils aufgeklebt werden, oder die Hartmagnete werden in entsprechende Ausnehmungen in der Oberfläche des Bauteils eingesetzt bzw. eingeklebt.
Die Fertigung bzw. Montage dieser Codierungselemente ist sehr aufwendig, insbesondere, wenn entsprechende Ausnehmungen an den Bauteilen in definierten Positionen zur Aufnahme von Hartmagneten ausgebildet werden müssen. Ferner besteht bei rotierenden Bauteilen die Gefahr, dass unerwünschte Unwuchten erzeugt werden. Ferner hat das Einsetzen von Hartmagneten in entsprechende Ausnehmungen den Nachteil, dass es nur schwer möglich ist, eine glatte Bauteiloberfläche, wie sie beispielsweise in fluidtechnischen Zylindern erforderlich ist, zu schaffen.

Aus DE 44 44 233 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kennzeichnung von Objekten bekannt. Bei diesem werden Eisenteile eines zu kennzeichnenden Objektes, wie beispielsweise eines Containers, durch eine magnetisch polarisierte Prägung gekennzeichnet. Löschen, Schreiben und Auslesen dieser magnetischen Prägung erfolgt über einen entsprechenden Schreib-/Lesekopf, welcher in der Lage ist, die Magnetisierung des Objektes zu ändern. Diese Anordnung ist jedoch nicht geeignet, in einem Bauteil eine dauerhafte Codierung auszubilden, da eine solche magnetische Prägung im Laufe der Zeit nachlässt und auch durch externe Magnetfelder verändert oder gelöscht werden kann.

Aus DE 43 06 209 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Lesen eines Strichcodes bekannt. Dieser Strichcode ist in einem metallischen Bauteil in Form von Kerben ausgebildet. Diese Kerben können durch einen magnetischen Lesekopf erfasst werden, welcher in dem metallischen Bauteil einen Wirbelstrom erzeugt und somit in der Lage ist, die Bereiche der Kerben, in denen kein Material vorhanden ist, in welchem ein Wirbelstrom erzeugt werden könnte, zu erfassen. Eine solche Codierung ist ebenfalls aufwändig auszubilden, da die Kerben an definierten Positionen in der Oberfläche des Bauteils eingebracht werden müssen. Ferner hat eine solche Codierung, wie oben ausgeführt, bei rotierenden Bauteilen den Nachteil, dass unerwünschte Umwuchten entstehen können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften, magnetisch abtastbaren Codierung sowie ein metallisches Bauelement mit einer magnetisch abtastbaren Codierung zu schaffen, welche ein einfaches Aufbringen der Codierung ohne Beeinträchtigung der Oberflächenqualität des Bauteils ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein metallisches Bauelement mit den im Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung wird das Bauelement an einer Position, an der Codeelement ausgebildet werden soll, so behandelt, dass im Bauelement bleibende Gefügeveränderungen mit einer magnetischen Leitfähigkeit erzeugt werden, die von derjenigen magnetischen Leitfähigkeit des unbehandelten Materials des Bauelementes abweicht. Somit werden magnetische Codeelemente im Inneren des Bauelementes erzeugt, welche einstückig mit dem Bauelement ausgebildet sind. Es ist daher nicht erforderlich, die Oberfläche des Bauelementes zum Einsetzen von Hartmagnetelementen zu bearbeiten. Eine Beeinträchtigung der Oberflächenqualität tritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf, da nur gezielt an vorbestimmten Stellen das Gefüge des Materials und dadurch dessen magnetische Eigenschaft verändert werden, ohne das Bauteil und insbesondere dessen Oberfläche mechanisch zu bearbeiten. Es können somit sehr variabel an gewünschten Stellen in einem Bauteil magnetische Codeelemente erzeugt werden, welche mittels bekannter Magnetfeldsensoren, wie Hall-Sensoren oder Reed-Kontakten erfasst werden können. Die gemäß dem erfindungs gemäßen Verfahren erzeugten magnetischen Codierungen können wie bekannte magnetische Codiersysteme vielfältig verwendet werden, beispielsweise zu Identifizierung oder Lageerfassung von Bauteilen.

Die Gefügeveränderungen können beispielsweise durch Bestrahlung mit Elektronen erzeugt werden. In diesem Fall werden genau die Positionen, an denen ein Codeelement ausgebildet werden soll, mittels eines Elektronenstrahls bestrahlt. Im einfachsten Fall wird dadurch das Material des metallischen Bauelementes an der Bestrahlungsstelle lokal erhitzt. Wenn der Elektronenstrahl nur als kurzer Puls aufgebracht wird, wird das Material dabei ähnlich wie beim Induktionshärten abgeschreckt. Dadurch verändert sich lokal an der Bestrahlungsstelle die magnetische Hystereseschleife des Materials beispielsweise von steil und eng zu flach und weit geöffnet. Dabei kann ein vorher gut magnetisch leitfähiges Material mit geringer magnetischer Remanenz derart in seinem Gefüge verändert werden, dass es lokal schlecht magnetischleitfähig wird und eine höhere magnetische Remanenz erhält. Auf diese Weise kann sehr einfach an vorbestimmten Stellen in dem Material eine Veränderung der magnetischen Eigenschaften erzeugt werden, welche beispielsweise mittels Wirbelstromsensoren oder Magnetfühlern mit zusätzlichen externen felderzeugenden Quellen wie Spulen und Hartmagneten abgetastet werden, wie es auch bei herkömmlichen magnetische Codierungen erfolgt.

Alternativ können die Gefügeveränderungen durch elektromagnetische Strahlung erzeugt werden. Auch auf diese Weise kann sehr leicht eine lokale Erwärmung an der Bestrahlungsstelle und anschließend je nach Steuerung des Bestrahlungspulses ein schnelles Abkühlen erreicht werden, um eine Gefügeveränderung und eine damit verbundene Änderung der magnetischen Eigenschaften des Materials zu bewirken.

Derartige elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Laserstrahlung sein, welche bewirkt, dass die Gefügeveränderungen laserinduziert erzeugt werden. Entsprechende Laserquellen für industrielle Anwendungen sind weit verbreitet, so dass sehr leicht mittels am Markt verfügbarer Geräte in einem Bauteil die gewünschten Gefügeveränderungen mit Änderung der magnetischen Eigenschaften erzeugt werden können.

Alternativ kann das Bauelement einer Strahlung aus beschleunigten Ionen ausgesetzt werden und die Gefügeveränderungen durch Veränderungen der Gitterstruktur des Materials des Bauelementes erzeugt werden. Die Ionenstrahlung bewirkt entweder ebenfalls, wie zuvor beschrieben, eine Erwärmung des Materials, welche zu einer Änderung der Gefüge- bzw. Gitterstruktur führt. Ferner ist es möglich, das einzelne Ionen bzw. Teilchen in die Gitterstruktur des Materials eingelagert werden und somit zu der Gefügeveränderung und der gewünschten Veränderung der magnetischen Eigenschaften führt. Auch die Ionenstrahlung wird zur Erzeugung der magnetischen Codierung gezielt auf vorbestimmte Punkte bzw. Stellen des Bauelementes gerichtet, an welchen entsprechende Codeelemente ausgebildet werden sollen.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise in einem Bauelement aus magnetisch leitfähigem Material die Bereiche mit den Gefügeveränderungen vergleichsweise besser oder schlechter magnetisch leitfähig gemacht. Auf diese Weise werden beispielsweise durch zuvor beschriebene Bestrahlungsarten in dem Material Bereiche geschaffen, welche besser oder schlechter magnetisch leitfähig sind als das jeweils umgebende Material. Die so erzeugten Unterschiede bzw. Schwankungen in der magnetischen Leitfähigkeit können mit bekannten Sensoranordnungen, beispielsweise den oben beschriebenen Sensorarten erfasst werden.

Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem Bauelement aus einem nicht magnetisch leitfähigen Material derart angewendet werden, dass die Bereiche mit den Gefügeveränderungen magnetisch leitfähig gemacht werden. Auch auf diese Weise werden Bereiche, d. h. als Codeelement dienende Bereiche, geschaffen, welche eine andere, d. h. bessere magnetische Leitfähigkeit aufweisen als das umgebende Material, welches nicht oder nur schlecht magnetisch leitfähig ist. Diese Unterschiede der magnetischen Leitfähigkeit können ebenfalls durch die bekannten und beschriebenen Sensoranordnungen erfasst werden.

Die Erfindung betrifft ferner ein metallisches Bauelement mit einer magnetisch abtastbaren Codierung. Diese Codierung ist derart ausgebildet, dass zumindest ein magnetisches Codeelement in dem Bauteil ausgebildet ist. An der Stelle, an der das Codeelement ausgebildet ist, ist das Materialgefüge des Bauelementes derart verändert, dass es an dieser Stelle andere magnetische Eigenschaften hat als die dieser Stelle benachbarten Bereiche des Materials des Bauelementes. Das bedeutet, die Stellen, an denen Codeelemente ausgebildet sind, weisen andere magnetische Eigenschaften als die diese Stellen umgebende Bereiche des Bauelementes auf. Dabei sind die Codeelemente jedoch einstückig mit dem umgebenden Material, d. h. direkt in dem Material des Bauelementes ausgebildet. Die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften sind allein durch Gefügeveränderungen in dem Material des Bauteils hervorgerufen. Es ist somit nicht erforderlich, Ausnehmungen zu schaffen oder Hartmagnete in entsprechende Ausnehmungen einzusetzen, um in einem Bauteil eine magnetische Codierung auszubilden. Somit werden insbesondere die Oberflächeneigenschaften des Bauteils nicht beeinträchtigt. Die erfindungsgemäße Codierung, welche allein auf einer Änderung der magnetischen Eigenschaften bzw. Leitfähigkeit aufgrund einer Änderung der Gefügestruktur basiert, kann wie herkömmliche magnetische Codierung durch Magnetfeld empfindliche Sensoren, beispielsweise die oben genannten Sensoren, erfasst und ausgelesen werden. Die Codierung kann wie bekannte Codierungen aus mehreren Codeelementen, beispielsweise mit unterschiedlicher Breite oder Abstand, gebildet sein.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
1 schematisch die Erzeugung einer magnetischen Codierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
2 schematisch in einer Schnittzeichnung die erfindungsgemäßen Codeelemente und
3 schematisch das Erfassen der erfindungsgemäßen Codierung.
1 zeigt schematisch, wie in einem Bauteil 2 durch das erfindungsgemäße Verfahren eine magnetische Codierung mit Codeelementen 4 erzeugt wird. Im gezeigten Beispiel wird eine Vielzahl von Codeelementen 4 ringförmig auf den Umfang eines zylindrischen Bauteils 2 aufgebracht. Dazu ist eine Strahlenquelle 6 vorgesehen, welche eine Strahlung 8, beispielsweise eine Laserstrahlung, eine Elektronenstrahlung oder eine Ionenstrahiung erzeugt. Mit der Strahlung 8 werden diejenigen Bereiche der Oberfläche des Bauteils 2, an denen die Codeelemente 4 ausgebildet werden sollen, für eine vorbestimmte Zeitdauer bestrahlt. Dabei wird die Strahlungsquelle 6 entsprechend gepulst und relativ zu der Oberfläche des Bauteils 2 bewegt. Durch die Einwirkung der Strahlung 8 werden an der Oberfläche des Bauteils 2 lokal nach einem vorgegebenen Muster Stellen geschaffen, welche gegenüber dem umgebenden Material veränderte magnetischen Eigenschaften aufweisen. Aufgrund des Unterschiedes der magnetischen Eigenschaften von Codeelementen und umgebenden Material ist es möglich, die Codeelemente mit Hilfe von elektromagnetische Detektoren zu erfassen.
Die Gefügeveränderungen, welche eine Änderung der magnetischen Eigenschaften an den bestrahlten Stellen bewirken werden im einfachsten Fall dadurch erzielt, dass das Material des Bauteils 2 an den bestrahlten Stellen nur kurzzeitig erhitzt und anschließend schnell abgekühlt bzw. abgeschreckt wird, wodurch sich die Gefüge- bzw. Gitterstruktur des Metallmaterials derart verändert, dass sich auch die magnetischen Eigenschaften gegenüber der umgebenden Material verändern. So können in einem metallischen Bauteil einstückig ausgebildete Codeelemente alleine durch Bestrahlung erzeugt werden, ohne dass das Material und insbesondere die Oberfläche des Bauteils 2 mechanisch bearbeitet werden muss, beispielsweise um Ausnehmungen auszubilden oder Hartmagnete einzusetzen. Eine Veränderung der Gefügestruktur und damit der magnetischen Eigenschaften kann auch dadurch erreicht werden, dass durch die Bestrahlung Teilchen in das Gefüge eingelagert werden.
Das Bauteil 2 kann beispielsweise eine Kolbenstange eines fluidtechnischen Zylinders sein, in den eine Codierung zur Position- bzw. Lageerfassung eingebracht werden soll. Hier ist es möglich, dass Bauteil 2 aus einem unmagnetischen Stahl zu fertigen, in dem durch Bestrahlung mittels der Strahlung 8, beispielsweise Laser- oder Elektronenstrahlung, derartige Gefügeveränderungen hervorgerufen werden, dass der Stahl partiell magnetisch wird. Alternativ ist es möglich, dass Bauteil 2 beispielsweise aus einem magnetisierbaren Material zu fertigen und das Material durch oben beschriebene Bestrahlung partiell „magnetisch hart", d.h. magnetisch leitfähig zu machen. Ein solches Codeelement, welches durch Bestrahlung in dem Material des Bauteiles 2 selber erzeugt worden ist, kann somit genauso wie ein in eine entsprechende Ausnehmung eingesetzter Hartmagnet wirken.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat neben dem Vorteil, dass die Oberflächeneigenschaften des Bauteils 2 nicht beeinträchtigt werden, den Vorteil, dass magnetische Codierungen sehr flexibel an beliebigen Stellen des Bauteils eingebracht werden können. So ist es beispielsweise mögliche eine Vielzahl von Bauteilen ohne Codierung vorzufertigen und falls erforderlich abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck an vorbestimmten Stellen durch Bestrahlung Codierungen einzubringen. So können beispielsweise sehr kostengünstig Kolbenstangen mit und ohne Codierung erzeugt werden, da beide Kolbenstangen bis zu der Bestrahlung zum Erzeugen der Codeelemente in gleicher Weise gefertigt und bevorratet werden können.
Ferner hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass durch das Einbringen der Codeelemente die Masseverteilung in dem Bauteil 2 nicht beeinträchtigt wird, so dass es nicht zu unerwünschten Unwuchten kommen kann, was insbesondere bei rotierenden Bauteilen wichtig ist.
2 zeigt in einer Schnittansicht schematisch die in einem Bauteil 2 ausgebildeten Codeelemente 4. Das Bauteil 2 wird an der Oberfläche 10 derart an vorbestimmten Stellen bestrahlt, dass die Codeelemente 4 in Form von Gefügeveränderungen im Bereich der Oberfläche 10 ausgebildet werden. Die Größe und insbesondere Tiefe der Codeelemente 4 von der Oberfläche 10 hängt dabei in erster Linie von der Eindringtiefe der Strahlung oder der Eindingtiefe der durch die Strahlung erzeugten Erwärmung ab. Durch entsprechende Wahl der Pulsdauer und Intensität der Strahlung 8 kann die Eindringtiefe und somit die Tiefe der in dem Bauteil 2 ausgebildeten Codeelemente eingestellt werden. Die Codeelemente 4 sind einstückig mit dem sie umgebenden Material, d. h. sie sind direkt in dem Material des Bauteils 2 ausgebildet.
3 zeigt schematisch, wie die erfindungsgemäßen erzeugten Codeelemente 4 ausgelesen werden. Die Codeelemente 4 sind in der zuvor beschriebenen Weise an der Oberfläche des Bauteils 2 ausgebildet. Das Bauteil 2 wird relativ zu dem Magnetfeldsensor 12 bewegt, wobei dieser die unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften bzw. Magnetfeldänderungen zwischen den Codeelementen 4 und dem diese umgebenden Material erfasst. Auf diese Weise können wie bei herkömmlichen magnetischen Codierungen die Codeelemente 4 beispielsweise zur Identifizierung oder Lagebestimmung des Bauteils 2 erfasst werden. Bei dem Sensor 12 handelt es sich um einen in bekannter Weise ausgestalteten Magnetfeldsensor 12, weshalb an dieser Stelle auf eine nähere Beschreibung verzichtet wird. Die Codierung mit mehreren Codeelementen 4 oder einzelne Codeelemente 4 können in ihrer Form, Größe und Lage in einem Bauteil jeweils an einen bestimmten Einsatzzweck angepasst ausgebildet werden. Überall dort, wo in einem metallischen Bauteil eine magnetische Codierung oder Markierung eingebracht werden soll, ist dies mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.

2: Bauteil
4: Codeelement
6: Strahlungsquelle
8: Strahlung
10: Oberfläche
12: Sensor

Claims

Verfahren zur Herstellung einer magnetisch abtastbaren Codierung in einem metallischen Bauelement (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) an einer Position, an der ein Codeelement (4) ausgebildet werden soll, so behandelt wird, dass im Bauelement (2) bleibende Gefügeveränderungen mit einer magnetischen Leitfähigkeit erzeugt werden, die von derjenigen des unbehandelten Materials des Bauelements (2) abweicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügeveränderungen durch Bestrahlung mit Elektronen erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügeveränderungen durch elektromagnetische Strahlung (8) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügeveränderung laserinduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (2) einer Strahlung aus beschleunigten Ionen ausgesetzt wird und die Gefügeveränderungen durch Veränderungen der Gitterstruktur des Materials des Bauelements (2) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei einem Bauelement (2) aus magnetisch leitfähigen Material und dadurch, dass die Bereiche (4) mit den Gefügeveränderungen vergleichsweise besser oder schlechter magnetisch leitfähig gemacht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Anwendung bei einem Bauelement (2) aus nicht magnetischen leitfähigen Material und dadurch, dass die Bereiche (4) mit den Gefügeveränderungen magnetisch leitfähig gemacht werden.
Metallisches Bauelement mit einer magnetisch abtastbaren Codierung, bei dem an zumindest einer Stelle dessen Materialgefüge zur Bildung eines Codeelements (4) derart verändert ist, dass es an dieser Stelle andere magnetische Eigenschaften hat als die dieser Stelle benachbarten Bereiche des Materials des Bauelements (2).