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Vorrichtung zur Stellwegmessung von beweglichen Mas chinenel ement
en.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stellwegmessung
von beweglichen Maschinenelementen und findet auf den verschiedenen Gebieten Anwendung,
z. B. Werkzeugmaschinen, Spritzgußmaschinen, Pressen, Formmaschinen, Fördereinrichtungen
und dergleichen. Die für diesen Zweck verwendeten Vorrichtungen, wie sie u. a. zum
Messen des Kolbenweges von Arbeitszylindern bisher bekannt geworden sind, benötigen
durchweg mechanische Übertragungsglieder, womit die Hubbewegung des Zylinders auf
einen Widerstandsgeber oder einen induktiven Messer geleitet wird. Die Meßglieder
sind hierbei entweder an der Kolbenstangenseite oder an der Flanschseite des Zylinders
angebracht und benötigen an diesen Stellen einen erheblichen zusätzlichen Raum.
Weiterhin sind die bis jetzt bekannt gewordenen Vorrichtungen in ihrer Anwendbarkeit
insofern beschränkt, als sie nur relativ kurze Wege zu messen erlauben.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, mechanische Übertragungsglieder
zur Stellwegmessung an beliebigen beweglichen Maschinenelementen zu vermeiden, ohne
dadurch die Länge des Elementes vergrössern zu müssen. Ferner sollen alle in der
Praxis anfallenden, auch verhältnismässig lange Wege; präzise abgetastet werden
können.
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Die Lösung wurde darin gefunden, dass das Maschinenelement oder ein
Teil davon aus magnetisch beeinflussbarem Material besteht oder solches trägt und
in der Messrichtung ein Magnetfeld unterschiedticher, permanenter oder variabler
Feld stärke aufweist und dass ein an der Bewegung nicht teilnehmendes Feldstärkemessgerät
dem Maschinenelement zugeordnet ist. Dabei ist das Feldmessgerät zweckmässig von
einem diamagnetischen Stoff umgeben. Der Fühler des Feldmessgerätes bildet mit der
Oberfläche des Maschinenelements oder des entsprechenden Teiles in bevorzugter Weise
eignen Spalt. Es ist vorgesehen, dass das Maschinenelement entweder eine magnetisierbare
Oberfläche bzw. einen solchen Oberflächenbereich aufweist oder aber magnetisch induzierbar
ist.
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Hierdurch ist es möglich geworden, ein abtastbares, in der Regel ansteigendes
Feld, z. B. auf die Kolbenstange eines Arbeitszylinders, aufzubringen und die Abtastsignale
entweder in ein Anzeigegerät oder in einen Regelkreis oder dgl. zu geben, ohne dass
durch mechanische Glieder die zu beherrscheide Weglänge beschränkt wird.
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Während in einem Fall, wie schon erwähnt, auf das jeweils gegebene
Maschinenelement oder wenigstens auf einen Teil davon, beispielsweise in einem vorher
durchzuführenden Verfahren, das Magnetfeld unterschiedlicher und zeitlich konstanter
bzw. permanenter Feldstärke aufgebracht werden kann, besteht weiterhin nach der
Erfindung die Möglichkeit, auf den Körper ein Magnetfeld zu induzieren. Hierzu kann
das Maschinenelement wenigstens einen Magneten, insbesondere einen Dauermagneten
enthalten, dessen einer Pol abgeschirmt ist und dessen anderer Pol das Magnetfeld
induziert, wobei das Feldstärke-Messgerät zwischen diesem Magneten und einem noch
vorgesehenen stationären Gegenpol liegt. Diese Vorrichtung ist u. a. dann anwendbar,
wenn das Maschinenteil aus besonderen Gründen kein nitriertes Material sein kann,
um zur Oberflächenmagnetisierung geeignet zu sein.
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Schliesslich kann in weiterer Ausbildung der Erfindung die zuletzt
beschriebene neuartige Ausführungsform dahingehend variiert werden, däss das Maschinenelement
wenigstens einen Magneten, insbesondere einen Dauermagneten enthält, der einmal
über dieses Element und zum anderen über ein weiteres, insbesondere ein mit diesem
Maschinenelement funktionsmässig zusammenhängenden Organ, einen magnetischen Kreis
bll<Iet, in welchem das Ff ldstärke-Messgerät liegt.
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Was den zuerst erwähnten Fall des Vorhandenseins einer magnetisierbaren
Oberfläche des Maschinenelementes betrifft, so kann di Magnetfeld unterschiedlicher
Feldstärke erfindungsgemäss dadurch aufgebracht werden, dass die Bewegung@ @@@
des
Elementes in ein wegabhängiges Funktionssignal umgewandelt wird und die durch einen
Magnetkopf aufgebrachte Feldstärke mittels eines Feldstärke-Messignals mit dem Funktionssignal
ins Gleichgewicht gebracht wird.
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Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 einen hydraulischen Arbeitszylinder, bei dem
die Oberfläche der Kolbenstange magnetisiert wird; Fig. II den Verlauf des sich
über die Länge der Kolbenstange erstreckenden Magnetfeldes im Längsschnitt; Fig.
III den Verlauf des Magnetfeldes gemäss Fig. II im Querschnitt; Fig. IV eine Ausführungsform,
bei der das Maschinenelement magnetisch induziert wird; Fig. V eine Einrichtung
zur Temperatur-Kompensation, bei einer Ausführungsform gemäss Fig. IV; Fïg. VI eine
andere Ausführungsform der Art der Vorrichtung gemäss Fig. IV; Fig. VII eine Einrichtung
zum Kompensieren von fertigungsbedingten Streuungen der Feldstärke des Magneten;
Fig.Vfl1 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Durchführung der Magnetisierung
der Oberfläche einer Kolbenstange eines Arbeitszylinders, de- gleichzeitig eine
Drehbewegung ausführt.
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Die Fig. I zeigt einen Längsschnitt durch einen Arbeitszylinder, der
mit der neuartigen Vorrichtung ausgerüs-tet ist. Der Betätigungszylinder 1 ist in
üblicher Weise ausgeführt. Im Zylinder ist ein Kolben 2 mit eincr Kolbenstange 3
angeordnet. Am vorderen sunde ist ein Dichtflanscji 4 angebracht, der aus einem
nichtmagnetischen Werkstoff besteht. Auf diesem Flansch 4 ist seitlich ein Feldstärkemessgerät
5 angebra-cht, das mit dem Fühler 6 bis an die Kolbenstange 3 heranreicht. Zwischen
der Kolbenstange 3 und dem Fühler 6 ist ein konstant zu haltender Spalt vorgesehen,
der entweder mit amagnetischem Material, mit Flüssigkeit oder mit Gas ausgefüllt
ist.
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Die Kolbenstange 3 ist magnetisiert und die Feldstärke verläuft in
ihrer Grössenordnung vorzugsweise nach dem Kolben hii nsteigencl. Sie ist durch
die schraffierte Fläche 7 in der Fig. I symbolisch dargestellt. Wenn der Kolben
des Zylinders nun in den beiden Richtungen h eine Bewegung macht, so misst das Feldstärkemessgerät
5 die Veränderung des auf der Kolbenstange 3 aufgebrachten Magnetfeldes und kann
damit den Stellweg des Zylinders messen. In den Fig.
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II und III ist die Magnetisierung der Kolbenstange näher erläutert.
Die Fig0 III zeigt einen Schnitt durch die Kolbenstange 3. Bs wurde gefunden, dass
sich hartnitrierter Stahl innerhalb seiner Nitrierschicht s wie ein magnetographisches
Material magnetisch beschriften lässt.
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Der Effekt kommt, so wird angenommen, dadurch zustande, dass die Ferrit>Kristalle
durch das eingelagerte Nitrat magnetisch voneinander isoliert sind und demzufolge
eine verschiedene magnetische Feldstärke annehmen können.
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Diese fIartnitr-ierschicht rings um die Kolbenstange, wie es in Fig.
III gezeigt ist, wird magnetisch beschriftet, wobei die Magnetfeldstärke, wie es
in Fig. II gezeigt ist, über dem vorgesehenen Hub h der Ivolbenstange in ihrer Grössenordnung
um den Betrag DII der Strecke h entlang verändert wird. Denkt man sich die Feldstärke
um die Kolbenstange herum und entlang der Strecke h aufgetragen, so weist diese
einen kegelförmigen Verlauf auf.
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Gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. IV ist vorgesehen, den Feldstärkekegel
rings um das Maschinenelement, wiederum beispielsweise eine Kolbenstange, nicht
durch Magnetisieren dieses Teiles hervorzurufen. Dieser Feldstärkekegel wird vielmehr
dadurch erzeugt, dass, wie es in Fig. IV gezeigt ist, ein Magnet 14 in den Kolben
2 eingelassen ist. Der insbesondere als Dauermagnet 14 ausgebildete Magnet sitzt
hierbei in der Büchse 15, die aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht, damit z.
B. der Südpol S des Magneten mit dessen Nordpol N kein geschlossenes Feld bilden
kann. Die Biichse 15 befindet sich im Kolben 2 in einer Bohrung 17 und kann axial,
z. B. mittels eines Sicherungsringes 1G, fixiert werden. Der Feldstärkekegel kommt
bei dieser Anordnung dadurch zustande, dass z. B. der Nordpol N in der
Kolbenstange
3 ein induziertes Feld erzeugt, dessen Feldstärke naturgemäss über der Länge h der
Kolbenstange abnimmt. Das Feldstärkemessgerät 5 befindet sich auch hierbei in dem
Diohtflansch 4, der ebenfalls aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht, weil es nicht
vermeidbar ist, dass z. B. ein Teil der Nordpolfeldlinien sich auch im Zylindergehäuse
1 fortpflanzt.
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Im Dichtflansch 4 ist bei dem Beispiel der Fig. IV noch eine Messonde
22 eingelassen, die die Aufgabe hat, die Temperatur des Zylinders zu messen und
die thermische Abweichung des induzierten Magnetfeldes zu korrigieren.
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In Fig. V ist als Ersatzlösung zu der Temperaturkompensation der thermischen
Sonde 22 in Fig. IV eine kompensierte magnetische Büchse 18 dargestellt. Diese temperaturkompensierte
Magnetbüchse besitzt einen Mantel 18, der aus magnetischem Material besteht und
einen Teil des in die Kolbenstange induzierten Magnetfeldes zur anderen Poiseite
leitet. Die Zwischenbüchse 19 ist dagegen aus nichtmagnetischem Material, so dass
der zurückgeleitete feldanteil 21 durch den Magnetleiter 20 auf die andere Pol seite
gelangen kann. Dieser Magnetleiter 20 ist aus einem Werkstoff hergestellt, der seine
Leitfähigkeit mit der Temperatur ändert, so dass der Temperaturgang der Magnetfeldstärke
kompensiert wird. Als Material für den Kompensationsleiter 20 kommen z. B. Thermoperme
infrage.
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Fig.VI zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der es ebenfalls wie
in Fig. IV der Fall ist, dass ein Magnetfeld auf das Maschinenelement, z. B. die
Kolbenstange eines Arbeitszylinders, induziert wird, jedoch mit einer Anordnung
des Magneten 14 derart, dass dieser über die Kolbenstange 3 und die Kolbenbüchse
25 und den Zylindermantel 1 einen magnetischen Kreis bildet, wobei die Kolbenbüchse
25 gegenüber der Kolbenstange 3 durch die Biichse 26 magnetisch abgeschirmt ist.
In diesem magnetischen Kreis liegt das Feldstärkemessgerät 5, das an den Flansch
4 angebracht ist, der einen Raum aus nichtmagnetischem Stoff bildet und der zur
Führung des Fühlers 6 dient. Zum Schliessen des Kreises ist in dem Flansch 4 ein
magnetischer Leiter 24 vorgesehen. Der Magnet 14 kann mit einer abzuschirmenden
Hülse 27 umgeben sein1 und sämtliche den Kolben bildenden Teile 14, 25 bis 27 sind
z. B. durch Schrauben 28 zusammengehalten. Ausserdem ist in der Darstellung noch
schaubildlich über der Kolbenstange entsprechend der Fig. IV die mit dem Kolbenweg
variable Feldstärke sowie der im Bereich der Zylinderwand entsprechend gebildete
Feldstärkewert auf 29 eingezeichnet.
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Fig. VII veranschaulicht eine Einrichtung, die beispielsweise bei
der zuletzt genannten Ausführungsform angewendet werden kann und die zur Kompensierung
von Magnetfeldstreuringen des Magneten 14 dient, die in den meisten Fällen fertigungsbedingt
sind. Der von dem Teil 30 umgebene Magnet @@ enthält die @@@stellbare Büchse 31,
die mit Gewinde 32
in dem Teil 30 sitzt und den Abstand 33 zwischen
dem als Polschuh dienenden Ring 31 und dem Magneten 14 zur Kompensierung verändern
lässt. Der Magnet 14 selbst kann durch einen Sicherungsring 34 gehalten sein.
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Zur Magnetisierung der Oberfläche eines Maschinenteiles, z. B. der
Kolbenstange-gemäss Fig. 1, kann das anhand der Fig. VIII zu erläuternde Verfahren
benutzt werden.
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Hierbei ist die Kolbens tange 3 mit dem Kolben 2 beispielsweise in
der Richtung 9 drehbar zwischen den Spitzen 12 und 13 gelagert und kann in Richtung
h verschoben werden.
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Der Bereich, in dem die Kolbenstange magnetisiert worden ist, ist
in strichpunktierten Linien angedeutet und mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die
Kolbenstange bzw. der Kolben ist mit einem elektrischen Wegemesser, z. B. auf potentiometrischer
Basis, verbunden, um die Bewegung der Kolbenstange in ein Funktionssignal durcb
den Ifegemesser 10 umzuwandeln. Die Signale gehen von hier in einen Differenzverstärker
11 oder dgl.. Hier werden sie ins Gleichgewicht gesetzt mit den Signalen eines Feldstärkemessgerätes
5, das die Oberfläche der Kolbenstange 3 magnetisch abtastet und dessen Fühler mit
der Kolbenfläche beispielsweise einen Spalt L2 bildet. Das entsprechend geregelte
Magnetfeld wird durch den Magnetkopf 8, der mit der b-reglichen Kolbenstange 3 beisplelswe-is-e
den Spalt L1 bildet auf die Kolbenstange aufgebracht, und zwar beispielsweise mit
einer linearen Steigung.
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Es ist noch nachzutragen, dass bei dem Beispiel der Fig. IV, wobei
das Feldstärkemessgerät 5 zwischen dem Magneten 14 und cinem noch vorgesehenen stationären
Gegenpol liegt, dieser Gegenpol beispielsweise bei dem gewählten Feldstärkemessgerät
mit diesem vereinigt sein kann, so dass er nicht besonders in der Zeichnung erscheint.