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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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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. Insbesondere können derartige Antriebsvorrichtungen
als Bewegungselemente eine Spindel aufweisen, die typischerweise über ein
Getriebe vom Antrieb getrieben wird.
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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.
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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.
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Eine
gattungsgemäße Antriebsvorrichtung ist aus der
DE 20 2007 001 463
U1 bekannt. Diese Antriebsvorrichtung umfasst einen Antrieb
sowie ein Bewegungselement und dient zur Umsetzung der Drehbewegung
des Antriebs in eine Linearbewegung. Zur Messung von auf das Bewegungselement einwir kenden
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.
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Zwar
ist mit dem Sensorelement eine berührungslose Kraftmessung
möglich, jedoch ist diese äußerst empfindlich
gegen externe Störeinflüsse. Insbesondere treten
als Störeinflüsse vom Antrieb erzeugte Magnetfelder
auf, die die Messergebnisse der Sensorelemente erheblich verfälschen
können. Zudem ist zur Ausbildung der Codierungen und der
zugeordneten Sensorelemente ein erheblicher konstruktiver Aufwand
erforderlich, wodurch die Herstellkosten der Antriebsvorrichtung
in unerwünschter Weise erhöht werden.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde für eine Antriebsvorrichtung
der eingangs genannten Art eine störungssichere und dabei
konstruktiv einfache Kraftmessung zur Verfügung zu stellen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1
vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung umfasst einen
Antrieb und ein Bewegungselement zur Umsetzung der Drehbewegung
des Antriebs in eine Linearbewegung. Zur Messung von auf das Bewegungselement
wirkenden Kräften ist ein mit diesem in direkter oder indirekter
Wirkverbindung stehender Sensorträger vorgesehen. Der Sensorträger weist
Sensorelemente in Form von Widerstandselemente auf, deren Widerstandswerte
sich bei Verformungen des Sensorträgers ändern.
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Mit
den als Widerstandselementen ausgebildeten Sensorelemente können
Verformungen des Sensorträgers hochgenau bestimmt werden,
wobei die gemessenen Verformungen des Sensorträgers ein
genaues Maß für die auf das Bewe gungselement wirkenden
Kräfte liefern. Besonders vorteilhaft ist, dass aus den
Messergebnissen, welche die Sensorelemente liefern, die Kräfte
hinsichtlich ihrer Beträge und Richtungen ermittelt werden
können, so dass eine ortsaufgelöste Kraftverteilung
der auf das Bewegungselement wirkenden Kräfte ermittelt
werden kann.
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Die
Widerstandselemente, die besonders vorteilhaft als Dehnungsmessstreifen
ausgebildet sind, sind äußerst unempfindlich gegen
Störeinflüsse und liefern somit auch bei vorhandenen
externen Störungen, insbesondere auch bei vom Antrieb generierten
Magnetfeldern, fehlerfreie und reproduzierbare Messergebnisse.
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Die
Widerstandselemente und die zugeordnete Auswerteschaltung können
als eine Baueinheit auf dem Sensorträger angeordnet werden,
wodurch sich ein kompakter und robuster Aufbau des gesamten Messsystems
ergibt. Alternativ kann die Auswerteschaltung auch entfernt vom
Sensorträger angeordnet sein.
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Zudem
ist vorteilhaft, dass die zur Kraftmessung benötigten Komponenten
modular aufgebaut sind und an unterschiedlichen Einbauorten innerhalb der
Antriebsvorrichtung angebracht werden können. Dabei ist
weiter vorteilhaft, dass die Anbringung der Komponenten zur Durchführung
der Kraftmessung ohne mechanische Änderungen der Elemente
der Antriebsvorrichtung vorgenommen werden kann.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass bei der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung eine Kraftmessung auch im antriebslosen Zustand,
das heißt bei abgeschaltetem Antrieb, erfolgen kann. Dies
stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Systemen,
die den Motorstrom des Antriebs zur Kraftmessung nutzen, dar.
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Das
Prinzip der Kraftmessung bei der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung besteht darin, dass verformbare Bereiche des
Sensorträgers unmittelbar mit dem Bewegungselement oder
mittelbar über ein Kraftübertragungselement, das
seinerseits starr mit dem Bewegungselement verbunden ist, verbunden
sind. Damit werden auf das Bewegungselement einwirkende Kräfte
auf die verformbaren Bereiche des Sensorträgers übertragen.
Die dabei verursachten Verformungen dieser Bereich werden dann mit
dem Sensorelement hochgenau bestimmt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
ist der Sensorträger kreisscheibenförmig ausgebildet.
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Dabei
weist der Sensorträger einen verformbaren zu seiner Symmetrieachse
konzentrischen Innenring auf, der eine zentrale Bohrung des Sensorträgers
begrenzt, welcher in Kontakt mit dem Kraftübertragungselement
oder dem Bewegungselement ist. Der Sensorträger weist zudem
einen starren zu seiner Symmetrieachse konzentrischen Außenring auf,
welcher in Kontakt mit einem Gehäuse ist.
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Besonders
vorteilhaft sind der Innen- und Außenring einstückig
ausgebildet, so dass dieser kostengünstig herstellbar ist.
Der Innenring kann besonders vorteilhaft dadurch verformbar sein,
dass dieser eine erheblich geringere Wandstärke als der Außenring
aufweist. Die Verformbarkeit des Innenrings kann dadurch noch erhöht
werden, dass in diesen Aussparungen eingearbeitet sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1:
Blockabschaltbild einer Antriebsvorrichtung.
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2:
Sensorträger mit einer Vorrichtung zur Kraftmessung für
die Antriebsvorrichtung gemäß 1.
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3:
Einbau der Vorrichtung zur Kraftmessung gemäß 2 in
eine Antriebsvorrichtung.
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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 gekennzeichnet
ist. Insbesondere kann die Antriebsvorrichtung 1 als Spindelantrieb
ausgebildet sein.
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Mit
den mittels der Antriebsvorrichtung 1 generierten Linearbewegungen
werden generell Positionier- und Stellprozesse in unterschiedlichen
industriellen Applikationen durchgeführt.
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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.
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Ein
Beispiel einer derartigen Antriebsvorrichtung 1 mit einer
Vorrichtung zur Kraftmessung zeigt 2. Die Komponenten
zur Kraftmessung bei dieser Vorrichtung sind in 3 in
einer Einzeldarstellung dargestellt.
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Die
Antriebsvorrichtung 1 gemäß 2 weist
ein Gehäuse 5 in Form einer Hülse auf,
wobei über die rückseitige Öffnung 5a des
Gehäuses ein nicht gesondert dargestellter Elektromotor
eingeführt wird, der an einem Kupplungselement 6 befestigt wird.
Mit dem Elektromotor wird eine Spindel 7 in eine Drehbewegung
um deren Längsachse versetzt. Durch die Drehung der Spindel 7 wird
eine nicht gesondert dargestellte Kolbenstange in axialer Richtung
verschoben, das heißt die Drehbewegung der Spindel die
das Bewegungselement 3 bildet, wird in eine Linearbewegung
der Kolbenstange umgesetzt.
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Das
hintere Ende der Spindel 7 ist über das Kupplungselement 6 an
den Elektromotor angekoppelt. Das Kupplungselement 6 wiederum
ist in einer Mutter 8 gelagert. Die Spindel 7 ist
in einem Nadellager 9 gelagert. Der Zwischenraum zwischen
Spindel 7 und Gehäuse 5 ist durch einen
Wellendichtring 10 abgedichtet.
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Die
Komponenten der Vorrichtung zur Messung von auf die Spindel 7 und
damit das Bewegungselement 3 einwirkenden Kräften
sind auf einen Sensorträger 11 integriert. Der
Sensorträger 11, der in 3 separat
dargestellt ist ist kreisscheibenförmig ausgebildet.
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Der
Sensorträger 11 weist, wie insbesondere aus 3 ersichtlich,
einen starren, nicht verformbaren Außenring 11a sowie
einen verformbaren Innenring 11b auf. Der Innenring 11b ist
dadurch verformbar, dass er eine geringere Wandstärke als
der Außenring 11a aufweist. Zudem sind in den
Innenring 11b Aussparungen 12 eingearbeitet, die
ebenfalls eine Verformbarkeit des Innenrings 11b bewirken.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist der Sensorträger 11 so
in der Antriebsvorrichtung 1 gelagert, dass dieser mit
dem äußeren Rand des Außenrings 11a fest
an der Innenseite des Gehäuses 5 anliegt. Der innere
Rand des Innenrings 11b des Stators liegt, wie aus den 2 und 3 ersichtlich,
an einer Lagerscheibe 13 an, die mit einem Axial-Nadellager 14 eine
Ankopplung des Sensorträgers 11 an die Spindel 7 und
das Kupplungselement 6 bewirkt.
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Diese
zwischen dem Sensorträger 11 und der Spindel 7 angeordneten
Bauteile, bilden Kraftübertragungselemente, die durch die
starre Ankopplung an die Spindel 7 dafür sorgen,
dass auf die Spindel 7 wirkende Kräfte auf den
Sensorträger 11 übertragen werden und
dort zu charakteristischen Verformungen des Innenrings 11b führen.
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Diese
Verformungen werden mit Sensorelementen in Form von Widerstandselementen 15 gemessen.
Als Widerstandselemente 15 werden im vorliegenden Fall
Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Wie aus 3 ersichtlich,
sind zwei Dehnungsmessstreifen an der Vorderseite des Sensorträgers 11 angeordnet,
wobei die Dehnungsmessstreifen um 180° versetzt gegeneinander
sind. Eine entsprechende Anordnung zweier Dehnungsmessstreifen befindet sich
auf der Rückseite des Sensorträgers 11.
Die insgesamt vier Dehnungsmessstreifen sind jeweils um 90° gegeneinander
versetzt angeordnet.
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Die
Dehnungsmessstreifen sind über Leitungen 16 an
eine gemeinsame Auswerteschaltung angeschlossen, die im vorliegenden
Fall von einer Brückenschaltung gebildet ist. Die Auswerteschaltung
ist mit den Widerstandselementen 15 auf dem Sensorträger 11 selbst
angebracht. Diese auf dem Sensorträger 11 angeordneten
Komponenten bilden eine Vorrichtung zur Messung von auf das Bewegungselement 3 einwirkenden
Kräften.
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Das
Messprinzip der Vorrichtung ist dabei derart, dass bei einer Krafteinwirkung
auf das Bewegungselement 3 eine Verformung des Innenrings 11b des
Sensorträgers 11 auftritt, wodurch sich die Widerstandswerte
eines oder mehrerer Dehnungsmessstreifen ändern. Dadurch
erfolgt eine Verstimmung der Brückenschaltung. Diese Verstimmung wird
elektronisch ausgewertet, verstärkt und als kalibrierter
Messwert für das Kraftsignal ausgegeben. Durch die Anordnung
der Dehnungsmessstreifen über den gesamten Umfang des Innenrings 11b und die
gleichzeitige Auswertung der Signale aller Dehnungsmessstreifen
in der Brückenschaltung können die Beträge
und Richtungen der wirkenden Kräfte bestimmt werden.
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- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Antrieb
- 3
- Bewegungselement
- 4
- Getriebe
- 5
- Gehäuse
- 6
- Kupplungselement
- 7
- Spindel
- 8
- Mutter
- 9
- Nadellager
- 10
- Wellendichtring
- 11
- Sensorträger
- 11a
- Außenring
- 11b
- Innenring
- 12
- Aussparung
- 13
- Lagerscheibe
- 14
- Axial-Nadellager
- 15
- Widerstandselement
- 16
- Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202007001463
U1 [0005]