DE19708323A1 - Anordnung zum Messen der axialen Bewegung bei einer luftgelagerten Spindel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß der Einleitung von Patentanspruch 1. Luftgelagerte Spindeln sind schon bekannt bei verschiedenen Anwendungen, von denen hier als Beispiel Rheometer genannt werden können. Ein Rheometer wird verwendet zur Bestimmung der Eigenschaften einer Flüssigkeit, was mit Hilfe eines rotierenden oder pendelnden Meßkopfes geschieht, der in der Flüssigkeit abgesenkt wird und von der luftgelagerten Spindel getragen wird. Geräte dieser Art sind als solche schon hinreichend bekannt und werden hier nicht näher beschrieben. Unter anderem hat es sich in dieser Technik als wünschenswert erwiesen, auch die auf die Spindel wirkende Axialkraft zu messen.

Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Axialkräfte bei einer luftgelagerten Spindel zu messen, indem die Erfindung die besonderen Merkmale enthält, die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche angegeben sind.

Die Erfindung wird in Form von Beispielen unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine luftgelagerte Spindel gemäß der Erfindung für ein Rheometer,

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil einer halben Spindel gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Ansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1 mit markierter Sensoreinheit.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1 mit einer anderen Ausführungsform der Sensoreinheit, und

Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren, auf denen dieselben Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist mit der Ziffer 1 die Spindelachse selbst bezeichnet. Diese ist in dem dargestellten Beispiel zum Teil in einem Radiallager 4 und zum Teil in einem Axiallager 3 gelagert, wobei zu berücksichtigen ist, daß es sich bei diesen Lagern um Luftlager handelt, die beim Betrieb der Spindel mit Druckluft versorgt werden. Diese sind mit Ziffer 14 schematisch angedeutet und als solche schon bekannt, so daß sie nicht auf der Zeichnung dargestellt sind. Des weiteren ist zu berücksichtigen, daß die Spindelachse 1 je nach Anwendung oder Bedarf rotieren oder pendeln kann. Der Spalt bei einem solchen Luftlager beträgt etwa 20 µ. Die rotierenden Axiallagerteile an der Spindelachse sind in dem dargestellten Beispiel als Scheibe 3 - Rotor - ausgebildet und bewegen sich zwischen den feststehenden Teilen des Axiallagers, in dem dargestellten Beispiel zwischen den oberen bzw. unteren Teilen 4,1 und 4,2 - Stator.

Mit 2 ist das Gehäuse bzw. der Rahmen bezeichnet, in dem die Spindel 1 läuft. Der Luftspalt bzw. in diesem Fall die Luftspalte des Lagers werden somit zwischen den 2 Luftlagerflächen 6,1; 6,2 des Gehäuses und den Luftlagerflächen 7,1; 7,2 der Spindelachse bzw. des Rotors 3 gebildet. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß das Axiallager der Spindelachse nicht unbedingt scheibenförmig sein muß. Verlangt wird, daß axial einander entgegenstehende Flächen vorliegen. Hier wird jedoch der Einfachheit halber der Ausdruck Rotor verwendet, um den Teil der Spindelachse zu bezeichnen, der die beiden Lagerflächen zeigt.

In Fig. 1 ist mit 11 ein Behälter bezeichnet, beispielsweise bei einem Rheometer, der eine Flüssigkeit 12 aufnimmt, deren Eigenschaften geprüft werden sollen. Mit 13 ist eine Meßscheibe bezeichnet, die in der Flüssigkeit 12 rotiert oder pendelt.

Die festen Luftlagerflächen 6 im Gehäuse 2 sind ganz oder teilweise als kapazitive Sensoren 4,1 und 4,2 ausgebildet, die über die Isolierungen 5,1 elektrisch vom Gehäuse 2 isoliert sind. An dem in Fig. 1 oberen kapazitiven Sensor 4,1 ist ein Signalkabel 9 angeschlossen, und an dem in Fig. 1 unteren kapazitiven Sensor 4,2 ist ein Signalkabel 8 angeschlossen. Die beiden kapazitiven Sensoren 4,1 und 4,2 sind über eine gemeinsame Kapazität in Form des Radialluftlagers 4 an ein gemeinsames Erdungskabel 10 angeschlossen. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der nur ein kapazitiver Sensor 4,1 verwendet wird und an den das Signalkabel 9 und das Erdungskabel 10 angeschlossen sind.

Bei axialer Belastung der Spindel 1 wird diese und der Rotor 3 axial in bezug auf Gehäuse 2 und die festen Luftlagerflächen 6,1; 6,2 verschoben, wodurch diue Spalte zwischen Stator und Rotor, d. h. zwischen den kapazitiven Sensoren 4,1 und 4,2 und den Rotorflächen 7,1; 7,2, sich verändern. Diese Veränderungen haben Kapazitätsänderungen zur Folge, die über die Leiter 8 und 9 an einen Rechner übermittelt und dort verarbeitet werden. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 beinhaltet, daß der direkte Wert der Kapazitäten zwischen den Flächen 6,1 und 7,1 als Meßwert erfaßt wird. Dieser Meßwert läßt sich leicht mit Kräften in Korrelation bringen, so daß es mit Hilfe der Erfindung möglich ist, durch Vergleich der Kapazitätsänderungen zwischen den Signalkabeln 9-10 und 8-10 bzw. dem vom Signalkabel 9-10 gemeldeten Wert die axiale Belastung der Spindel direkt abzulesen (Ausführungsform gemäß Fig. 2). Da eine differentielle Messung vorgenommen wird, kommt es zu keinen Störungen, die gemeinsam das Meßergebnis beeinflussen, so daß sich eine sehr hohe Meßgenauigkeit erzielen läßt.

Die obigen Ausführungen können als Prinzip der vorliegenden Erfindung betrachtet werden.

Die axiale Bewegung der Spindelachse kann mit Hilfe der Erfindung mit einer Genauigkeit, die besser ist als 15 Nanometer, gemessen werden. Dies bedeutet, daß Unebenheiten und Herstellungstoleranzen an den Luftlagerflächen des Rotors bei der Ausführungsform der Erfindung beachtet werden müssen. Deshalb ist ein Segment erforderlich, das einen Umschlingungswinkel von über 45° am axialen Luftlager hat, um die axiale Lageveränderung des Rotors/der Rotoren im Verhältnis zu der/den erkannten Sensorfläche/n zu umfassen. Ein Beispiel dafür ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt, wobei in Fig. 3 mit 17 ein kapazitiver Sensor bezeichnet ist, der, wie aus der Figur hervorgeht, von einem Außensegment 16 mit einem Winkel über 45° umschlossen werden muß. In Fig. 4 ist die wirksame Sensorfläche 17 als Ring ausgebildet, der im Prinzip die jeweiligen axialen Flächen des gesamten Rotors 3 bedeckt, was bedeutet, daß der genannte Umschlingungswinkel 360° beträgt. Aufgrund der Tatsache, daß dieser Umschlingungswinkel für die wirksamen Sensorflächen mehr als 45° beträgt, haben Abweichungen in der Rotorfläche bei laufendem Rotor keinen Einfluß auf das Meßergebnbis. Es ist hierbei zu beachten, daß der kapazitive Sensor 17 anders als dargestellt ausgebildet sein kann, wie beispielsweise als schmaler Ring oder aufgeteilt in mehrere Sensoren, und deshalb in den Patentansprüchen zusammenfassend als Sensoreinheit bezeichnet ist.

Fig. 1 ist, wie schon zuvor erwähnt, eine schematische Darstellung mit 14 Druckluftzuführungen zum Luftlager. Durch Änderung des Luftdrucks läßt sich die axiale Steifigkeit der Spindelachse regulieren. Indem man beispielsweise den Luftdruck von 5 auf 1 bar absenkt, ist für die gleiche Bewegungsstrecke an der Spindelachse nur ein Fünftel der Kraft erforderlich, d. h. durch Änderung des Luftdrucks erhält man verschiedene Auflösungen des Meßergebnisses bei gleicher auf die Spindelachse wirkenden Kraft.

Fig. 5 zeigt eine andere Variante der Erfindung, bei der die kapazitiven Sensoren durch die druckerkennenden Sensoren 18 und 19 ersetzt sind. Dieses Sensoren erkennen Druckveränderungen auf der jeweiligen Seite von Rotor 3, die mit Kraftwerten verglichen und korreliert werden. Da eine differentielle Messung erfolgt, wird das Meßergebnis nicht durch gemeinsame Störungen beeinflußt, so daß sich eine sehr hohe Meßgenauigkeit erzielen läßt. Da die wirksamen Druckflächen, die zum Ansprechend der Sensoren 18 und 19 führen, zweckmäßigerweise gemäß Fig. 4 ausgebildet sein sollten, hat auch die Drehung des Rotors keinen Einfluß auf das Meßergebnis, da die Rotationssymmetrie erhalten bleibt.

Claims (13)

1. Anordnung zum Messen der axialen Bewegung bei einer luftgelagerten Spindelachse (1), die von zumindest einem axialen Luftlager in Form eines Stators (4,1; 4,2) getragen wird, und ein von der Spindelachse getragener Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Sensoreinheit (4,1; 4,2) im Stator angeordnet ist, um ein Signal bei einer axialen Lageveränderung der Spindelachse (1) in bezug auf den Stator zu registrieren.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Segment, das einen größeren Umschlingungswinkel als 45° beim Rotor des axialen Luftlagers hat, erforderlich ist, um die aktiven Flächen der Sensoreinheit (4,1; 4,2; 17) zu umfassen, welche die axiale Lageveränderung des Rotors (3) in bezug auf den Stator erkennen.

3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinheit (4,1; 4,2; 17) auf jeder Seite des Rotors (3) angeordnet ist und die Sensoreinheiten axial fluchtend angeordnet sind.

4. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinheit auf einer Seite des Rotors angeordnet ist.

5. Anordnung gemäß einer der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit aus einer kapazitiven Einheit (4,1; 4,2; 17) besteht.

6. Anordnung gemäß einer der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinheit aus einer druckerkennenden Einheit (18; 19) besteht.

7. Anordnung gemäß einer der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (4,1; 4,2; 17) den Abstand zwischen den festen (6) und den beweglichen (7) Lagerflächen als Teil des kapazitiven Sensors ausnutzt.

8. Anordnung gemäß einer der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Sensoreinheit (4,1; 4,2; 17) Teil eines Schwingkreises ist.

9. Anordnung gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal mit den äußeren axialen Kräften korreliert, die auf die Spindelachse einwirken.

10. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-5, 7, 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Sensoreinheit (4,1; 4,2; 17) eine gemeinsame Erdungsleitung (10) und eine Signalleitung (8; 9), die von der jeweiligen Kapazität kommt, aufweist.

11. Anordnung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Erdungsleitung (10) über eine Kapazität (4) zur Spindelachse geführt wird.

12. Anordnung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität aus einem radialen Luftlager für die Spindelachse (4) besteht.

13. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-4, 6, 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck, mit dem das axiale Luftlager beaufschlagt wird, regelbar ist, um die Größe der axialen Bewegung der Spindelachse (1) für eine auf der Spindel (1) wirkende gegebene Axialkraft zu beeinflussen.