-
Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
-
Derartige
Antriebsvorrichtungen weisen einen Antrieb, insbesondere einen Elektromotor
auf. Generell führen
derartige Antriebe Drehbewegungen aus. Im Fall eines Elektromotors
rotiert der Rotor in dessen Stator. Zur Durchführung von Stellbewegungen,
Positionierbewegungen und dergleichen weist die Antriebsvorrichtung
ein Bewegungselement auf, mittels dessen die Drehbewegung in eine
Linearbewegung umgesetzt wird. Antriebsvorrichtungen dieser Art
weisen hierzu Bewegungselemente in Form von pneumatisch oder hydraulisch
betätigbaren
Kolben auf. Weiterhin können
derartige Antriebsvorrichtungen als Bewegungselemente eine Spindel
aufweisen, die typischerweise über
ein Getriebe vom Antrieb getrieben wird.
-
Um
die mit den Antriebsvorrichtungen durchgeführten Linearbewegungen kontrollieren
und/oder überwachen
zu können,
ist es erforderlich, die auf das Bewegungselement einwirkenden Kräfte möglichst
vollständig
erfassen zu können.
-
Neben
der möglichst
quantitativen Erfassung der Kräfte
besteht eine wesentliche Anforderung an die Kraftmessung darin,
dass diese möglichst
ohne Eingriff in das Antriebssystem erfolgen kann, das heißt die Kraftmessung
soll möglichst
berührungslos erfolgen.
-
Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde für eine Antriebsvorrichtung
der eingangs genannten Art eine zuverlässige und konstruktiv einfache
Kraftmessung zur Verfügung
zu stellen.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Die
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst
einen Antrieb sowie ein Bewegungselement und dient zur Umsetzung
der Drehbewegung des Antriebs in eine Linearbewegung. Zur Messung
von auf das Bewegungselement einwirkenden Kräften ist ein mit diesem in
direkter oder indirekter Wirkverbindung stehender Sensorträger mit
magnetischen Codierungen vorgesehen. Durch die einwirkenden Kräfte bedingte
Veränderungen
der Codierungen sind mittels dem Sensorträger zugeordneten Sensorelementen erfassbar.
-
Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung besteht
darin, dass die Kräfte
auf dessen Bewegungselement berührungslos
gemessen werden können.
Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die zur Kraftmessung benötigten Komponenten
modular aufgebaut sind und an unterschiedlichen Einbauorten innerhalb
der Antriebsvorrichtung angebracht werden können. Hierbei ist besonders
vorteilhaft, dass die Anbringung der Komponenten zur Durchführung der
Kraftmessung ohne mechanische Änderungen
der Elemente der Antriebsvorrichtung vorgenommen werden kann.
-
Das
Prinzip der Kraftmessung beruht darauf, dass mit geeigneten Sensorelementen,
insbesondere Magnetfeldsensoren, magnetische Codierungen auf einem
Sensorträger
detektiert werden. Dabei bestehen zumindest Bereiche des Sensorträgers aus ferromagnetischem
Material, wobei die Codierungen durch Ausrichten von weißschen Bezirken
in eine Richtung erzeugt werden. Der Sensorträger ist im Bereich der weißschen Bezirke
zumindest in gewissen Grenzen biegsam, das heißt flexibel, so dass sich diese
bedingt durch die auf das Bewe gungselement einwirkenden Kräfte in definierter
Weise durchbiegen. Infolge der Durchbiegungen werden die weißschen Bezirke
verschoben, wodurch sich die magnetischen Eigenschaften des Sensorträgers ändern. Diese Änderungen
werden als Maß für die Richtung
und Größe der wirkenden
Kräfte
gemessen, das heißt
es wird eine quantitative Kraftmessung ermöglicht.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
der Sensorträger
kreisscheibenförmig
ausgebildet und weist einen eine zentrale Bohrung begrenzenden Innenring
sowie einen Außenring
auf, welche konzentrisch zur Symmetrieachse des Sensorträgers ausgebildet
sind. Zwischen Innen- und Außenring
befinden sich die die Codierungen tragenden, ferromagnetischen und biegsamen
Bereiche des Sensorträgers.
Die Biegsamkeit wird einerseits einfach dadurch erreicht, dass die
Wandstärke
dieser Bereiche kleiner ist als jene des Innen- und Außenrings.
Besonders vorteilhaft sind einzelne Bereiche durch Aussparungen
getrennt, die sich jeweils vom Innenring zum Außenring hin erstrecken. Dies
erhöht
einerseits die Biegsamkeit der Bereiche. Weiterhin werden durch
die Aussparungen voneinander getrennte Bereiche erhalten, die mit
den Sensorelementen unabhängig
voneinander detektiert werden können.
-
Die
Sensorelemente sind bevorzugt auf einem kreisscheibenförmigen Träger mit
einer Leiterplatte angeordnet, wobei die Abmessungen des Trägers an
die Abmessungen des Sensorträgers
angepasst sind.
-
Der
Sensorträger
und der Träger
werden innerhalb der Antriebsvorrichtung in geringem Abstand zueinander
angeordnet, so dass mit den Sensorelementen auf dem Träger Änderungen
in den Codierungen des Sensorträgers
sicher und genau erfasst werden können.
-
Dabei
dienen der Außenring
des Sensorträgers
und der äußere Rand
des Trägers
zur Befestigung dieser Elemente innerhalb der Antriebsvorrichtung.
Vorzugsweise werden diese an der Innenseite des Gehäuses befestigt.
Wesentlich hierbei ist, dass nur der Sensorträger in Kontakt mit einem Kraftübertragungs element
steht, auf welches die Kräfte
des Bewegungselements übertragen
werden. Prinzipiell kann das Kraftübertragungselement auch vom
Bewegungselement selbst gebildet sein. Die ferromagnetischen, die
Codierungen bildenden Bereiche werden durch die auf das Bewegungselement
und damit auf das Kraftübertragungselement
ausgeübten
Kräfte
gebogen. Die dadurch bedingten Änderungen
der Codierungen können
von den Sensorelementen, die sich in von den Kräften auf das Bewegungselement unbeeinflussten
Referenzpositionen befinden, sicher und genau erfasst werden.
-
Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
-
1:
Blockabschaltbild einer Antriebsvorrichtung.
-
2:
Sensorträger
als erste Komponente einer Vorrichtung zur Kraftmessung in der Antriebsvorrichtung
gemäß 1.
-
3:
Sensorträger
gemäß 2 bei
auf diesen einwirkenden Kräften.
-
4:
Träger
mit Sensorelementen als zweite Komponente der Vorrichtung zur Kraftmessung.
-
5:
Einbau der Vorrichtung zur Kraftmessung in eine Antriebsvorrichtung.
-
1 zeigt
in einer Blockschaltbilddarstellung die wesentlichen Komponenten
einer Antriebsvorrichtung 1. Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst
einen Antrieb 2, der im vorliegenden Fall von einem Elektromotor
mit Rotor und Stator gebildet ist. Die Drehbewegung des Elektromotors
wird mittels eines Bewegungselements 3, das über ein
Getriebe 4 an den Elektromotor angekoppelt ist, in eine
Linearbewegung umgesetzt, die mit dem Doppelpfeil in 1 ge kennzeichnet
ist. Als Bewegungselemente 3 können generell hydraulisch oder
pneumatisch getriebene Kolben eingesetzt werden. Im vorliegenden
Fall ist die Antriebsvorrichtung 1 als Spindelantrieb ausgebildet.
-
Mit
den mittels der Antriebsvorrichtung 1 generierten Linearbewegungen
werden generell Positionier- und Stellprozesse in unterschiedlichen
industriellen Applikationen durchgeführt.
-
Zur
Kontrolle und Überwachung
derartiger Prozesse eine quantitative Bestimmung der auf das Bewegungselement
wirkenden Kräfte
erforderlich. Hierzu ist in der Antriebsvorrichtung 1 eine
Vorrichtung zur Kraftmessung integriert. Die Komponenten dieser
Vorrichtung sind in den 2 bis 4 dargestellt.
-
2 zeigt
den Aufbau einer ersten Komponente der Vorrichtung zur Kraftmessung.
Diese besteht aus einem kreisscheibenförmigen Sensorträger 5.
Der Sensorträger 5 weist
einen Innenring 5a und einen Außenring 5b auf, die
konzentrisch zur Symmetrieachse des Sensorträgers 5 angeordnet
sind. Der Innenring 5a begrenzt eine zentrale Bohrung 6 des
Sensorträgers 5.
Der Innenring 5a und der Außenring 5b sind über Segmente
verbunden, deren Wandstärke
gegenüber
den Wandstärken
des Innenrings 5a und Außenrings reduziert sind. Diese
Segmente bilden somit biegsame Bereiche 5c, die sich bei
Auftreten von in axialer Richtung wirkenden Kräften verbiegen können. Die
Durchbiegung dieser Bereiche 5c ist in 3 bei
Auftreten einer in axialer Richtung wirkenden Kraft F dargestellt.
Wie aus den 2 und 3 ersichtlich,
sind die einzelnen biegsamen Bereiche 5c des Sensorträgers 5 durch
Aussparungen 7 voneinander getrennt. Die Aussparungen 7 durchsetzen
den Sensorträger 5 in
axialer Richtung und erstrecken sich jeweils vom Innenring 5a zum
Außenring 5b.
Die Aussparungen 7 sind jeweils identisch ausgebildet und
sind drehsymmetrisch zur Symmetrieachse des Sensorträgers 5 angeordnet.
Die Aussparungen 7 weisen eine im Wesentlichen elliptische
Kontur auf.
-
Zumindest
die biegsamen Bereiche 5c, vorzugsweise der gesamte Sensorträger 5 bestehen aus
einem Material mit ferromagnetischen Eigenschaften, insbesondere
einer ferromagnetischen Legierung. In die biegsamen Bereiche 5c des
Sensorträgers 5 ist
jeweils eine definierte magnetische Codierung eingeprägt. Das
Einprägen
der Codierung erfolgt durch Magnetisieren der weißschen Bezirke
der biegsamen Bereiche 5c. Die Codierungen bestehen damit
aus einer definierten Ausrichtung der weißschen Bezirke. Bei einem Durchbiegen
des Sensorträgers
verändern
sich die magnetischen Eigenschaften der weißschen Bezirke.
-
Zur
Detektion dieser Veränderungen
der Codierungen, das heißt
der weißschen
Bezirke, sind dem Sensorträger 5 auf
einem Träger 8 angeordnete Sensorelemente
zugeordnet. Diese Anordnung ist in 4 dargestellt.
Die Sensorelemente sind als Magnetfeldsensoren 9 ausgebildet,
die im Wesentlichen aus Anordnungen von Spulen bestehen, mittels
derer die magnetischen Codierungen auf dem Sensorträger 5 erfasst
werden können.
Der Träger 8 umfasst einen
Ring 8a, in welchem eine ringförmige Leiterplatte 8b gelagert
ist, auf welcher die Magnetfeldsensoren 9 angeordnet sind.
Der Ring 8a und die Leiterplatte 8b sind konzentrisch
zur Symmetrieachse des Trägers 8 angeordnet.
Der Außendurchmesser
des Rings 8 entspricht dem Außendurchmesser des Außenrings 5b des
Sensorträgers 5.
Der innere Rand der Leiterplatte 8b begrenzt eine zentrale
Bohrung 10. Der Durchmesser der Bohrung 10 entspricht
im Wesentlichen dem Außendurchmesser
des Innenrings 5a des Sensorträgers 5.
-
Die
Dimensionierungen des Sensorträgers 5 und
des zugeordneten Trägers 8 können applikationsspezifisch
für die
Durchführung
von Kraftmessungen in der Antriebsvorrichtung 1 angepasst
werden.
-
Generell
erfolgt der Einbau des Sensorträgers 5 und
des Trägers 8 in
der Antriebsvorrichtung 1 derart, dass diese in geringem
Abstand zueinander gegenüberliegend
angeordnet sind, wobei die Ebenen des Sensorträgers 5 und des Trägers 8 parallel verlaufend
orientiert sind. Dabei werden der Sensorträger 5 und der Träger 8 mit
ihren äußeren Rändern in
Aufnahmen, vorzugsweise Gehäusekomponenten der
Antriebsvorrichtung 1, gelagert, die von den auf das Bewegungselement 3 der
Antriebsvorrichtung 1 einwirkenden Kräften nicht beaufschlagt sind.
Durch die an die Dimensionierung des Sensorträgers 5 angepasste
Geometrie des Trägers 8 ist
gewährleistet, dass
die auf der Leiterplatte 8b angeordneten Magnetfeldsensoren 9 den
die Codierungen aufweisenden flexiblen Bereichen des Sensorträgers 5 gegenüber liegen.
-
Der
Sensorträger 5 steht
mit einem Kraftübertragungselement
in Kontakt, auf welches die auf das Bewegungselement 3 wirkenden
Kräfte übertragen
werden. Dabei kann das Kraftübertragungselement
auch vom Bewegungselement 3 selbst gebildet sein. Der Träger 8 steht
dagegen nicht in Kontakt mit dem Kraftübertragungselement. Hierzu
ist der Innendurchmesser des Innenrings 5a des Sensorträgers 5 so
dimensioniert, dass der Innenring 5a das Kraftübertragungselement
umschließt
und dicht an diesem anliegt. Da der Durchmesser der Bohrung 10 des Trägers 8 größer ist
als der Durchmesser der Bohrung 6 des Trägers 8 ist
gewährleistet,
dass der Träger
nicht in Kontakt mit deren Kraftübertragungselemente
steht.
-
Bei
Einwirken von axialen Kräften
auf das Kraftübertragungselement
werden diese durch die Ankopplung über den Innenring 5a auf
den Sensorträger 5 übertragen,
so dass sich die biegsamen Bereiche 5c des Sensorträgers 5 wie
in 3 dargstellt durchbiegen. Dadurch ändern sich
die magnetischen Eigenschaften des Materials gegenüber der
Gleichgewichtsposition des Sensorträgers 5 in 2.
Die Änderung
der magnetischen Eigenschaften wird durch die den biegsamen Bereichen 5c gegenüberliegende
angeordneten Magnetfeldsensoren 9 erfasst. Die Sensorsignale
der Magnetfeldsensoren 9 liefern ein Maß für den Betrag und die Richtung
der wirkenden Kraft, das heißt
die Kraft wird mittels der Magnetfeldsensoren 9 quantitativ
bestimmt.
-
Die
aus dem Sensorträger 5 und
dem Träger 8 bestehende
Vorrichtung zur Kraftmessung kann in unterschiedlichen Einbaupositionen
innerhalb der Antriebsvorrichtung 1 integriert werden.
-
5 zeigt
eine solche Einbauposition des Sensorträgers 5 in der Antriebsvorrichtung 1.
Dabei zeigt 5 einen Längsschnitt durch das Gehäuse 11 einer
Antriebsvorrichtung 1, die als Spindelantrieb ausgebildet
ist. Die Antriebsvorrichtung 1 weist als Bewegungselement 3 eine
Spindel 12 auf, die über ein
Getriebe 13 an einen Elektromotor gekoppelt ist. Der Einbauraum 14 für den in 5 nicht
gesondert dargestellten Elektromotor schließt an das Getriebe 13 der
Antriebsvorrichtung 1 an. Das der Spindel 12 abgewandte
längsseitige
Ende der Antriebsvorrichtung 1 ist mit einem Gehäusedeckel 11a abgeschlossen.
Durch diesen Gehäusedeckel 11a ist
ein Gelenkauge 15 geführt,
welches eine Aufhängung
zur Befestigung der Antriebsvorrichtung 1 bildet. Dieses Gelenkauge 15 bildet
im vorliegenden Fall das Kraftübertragungselement,
da auf die Spindel 12 einwirkende Axialkräfte auf
dieses Gelenkauge 15 übertragen
werden. Wie aus 5 ersichtlich, sitzt der Sensorträger 5 mit
dem Innenring 5a dicht auf der Mantelfläche des Gelenkauges 15 auf.
Der Außenring 5b des
Sensorträgers 5 ist
an der Innenseite des Gehäuses 11 gelagert.
Der nicht gesondert dargestellte Träger 8 mit dem Magnetfeldsensor 9 wird
dicht vor den Sensorträger 5 gesetzt,
so dass dieser in geringem Abstand von dem Sensorträger 5 liegt.
Dabei ist der Ring 8a des Trägers 8 in dem Gehäuse 11 gelagert. Der
Sensorträger 5 und
der Träger 8 bilden
dann eine koaxiale Anordnung. Da die Bohrung 10 des Trägers 8 größer als
die Bohrung 6 des Sensorträgers 5 ist, steht
der Träger 8 nicht
in Kontakt mit dem Gelenkauge 15. Mit der so ausgebildeten
Vorrichtung zur Kraftmessung können
auf das Gelenkauge 15 wirkende Zug- und Druckkräfte quantitativ
erfasst werden. Da das Gelenkauge 15 ein Kraftübertragungselement bildet,
auf welches die auf die Spindel 12 wirkenden Kräfte übertragen
werden, stellen die mit den Magnetfeldsensoren 9 generierten
Messwerte ein Maß für die auf
die Spindel 12 einwirkenden Kräfte dar.
-
Alternativ
zu der in 5 gezeigten Einbauposition können der
Sensorträger 5 und
der Träger 8 auch
im Bereich des Getriebes 13 oder im Lagerbereich 16,
an welchem die Spindel 12 mit einem nicht gesondert dargestellten
Axiallager gelagert ist, installiert werden. Im letzteren Fall sitzt
der Innenring 5a des Sensorträgers 5 auf dem Axiallager
der Spindel 12 auf, welcher dann das Kraftübertragungselement bildet,
an welchem die Kraftmessung erfolgt.
-
- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Antrieb
- 3
- Bewegungselement
- 4
- Getriebe
- 5
- Sensorträger
- 5a
- Innenring
- 5b
- Außenring
- 5c
- biegsame
Bereiche
- 6
- Bohrung
- 7
- Aussparungen
- 8
- Träger
- 8a
- Ring
- 8b
- Leiterplatte
- 9
- Magnetfeldsensor
- 10
- Bohrung
- 11
- Gehäuse
- 11a
- Gehäusedeckel
- 12
- Spindel
- 13
- Getriebe
- 14
- Einbauraum
- 15
- Gelenkauge
- 16
- Lagerbereich