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Die Erfindung betrifft eine Überlastschutzeinrichtung mit einem Gehäuse, das für eine Befestigung an einem Handhabungsgerät bzw. eines Werkzeugs vorgesehen ist, mit einem beweglich an dem Gehäuse angebrachten Halter zur Befestigung eines Werkzeugs bzw. an einem Handhabungsgerät, mit einer Vorspanneinrichtung zur Erzeugung einer Vorspannkraft zwischen Gehäuse und Halter, wobei die Vorspanneinrichtung einen Zylinder und einen im Zylinder vorhandenen Druckkolben umfasst, wobei der Druckkolben über ein Medium in eine Grundstellung beaufschlagbar ist, und mit einer Schalteinrichtung, mit der dann ein Schaltsignal erzeugbar ist, wenn der Druckkolben seine Grundstellung verlässt.
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Überlastschutzeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden bei fremdkraftbetriebenen Handhabungsgeräten, beispielsweise bei achs- oder bahngesteuerten Industrierobotern, zur Vermeidung von Schäden bei Kollisionen im Rahmen von Bewegungen zwischen dem Handhabungsgerät und Gegenständen in der Umgebung des Handhabungsgerätes eingesetzt. Dazu weist eine Überlastschutzeinrichtung ein Gehäuse auf, dass an dem Handhabungsgerät, beispielsweise an einem Aufnahmeflansch eines Roboterarms, befestigt werden kann. An dem Gehäuse ist ein Werkzeughalter, beispielsweise in Form eines Werkzeugflansches, vorgesehen, der zur Aufnahme von Handhabungswerkzeugen, beispielsweise Greifeinrichtungen, Bearbeitungseinrichtungen, Messeinrichtungen, ausgebildet ist. Der Werkzeughalter ist dabei beweglich mit dem Gehäuse verbunden, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse und dem Werkzeughalter, insbesondere in Form einer Auslenkung des Werkzeughalters, ermöglicht ist. Dabei können lineare und/oder rotatorische Relativbewegungen abhängig von einem Anwendungsbereich der an dem Werkzeughalter angebrachten Handhabungswerkzeuge vorgesehen sein. Die Relativbewegungen können durch konstruktive Gegebenheiten des Gehäuses und des daran angebrachten Werkzeughalters begrenzt sein. Um unerwünschte Relativbewegungen zu verhindern, ist eine Vorspanneinrichtung vorgesehen, die zwischen dem Gehäuse und dem Werkzeughalter eine Vorspannkraft aufbringt, so dass eine Relativbewegung erst bei Überwindung der Vorspannkraft stattfinden kann. Somit tritt bei einer Kollision des Handhabungswerkzeugs mit einem Gegenstand zunächst nur eine durch eine Höhe der Vorspannkraft bestimmte Kollisionskraft auf. Da gegebenenfalls nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein zur Verfügung stehender Bewegungsspielraum der Relativbewegung zwischen Gehäuse und Werkzeughalter ausreicht, um die von dem Handhabungsgerät ausgeführte Bewegung vollständig abzufangen, ist zwischen dem Gehäuse und dem Werkzeughalter eine Schalteinrichtung vorgesehen, die bei einer Mindestauslenkung des Werkzeughalters gegenüber dem Gehäuse ein Schaltsignal erzeugt, das an eine Steuerungseinrichtung des Handhabungsgeräts weitergeleitet werden kann, um die Bewegungen des Handhabungsgeräts zu stoppen und gegebenenfalls in entgegengesetzter Richtung zu verfahren.
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Eine bekannte Ausführungsform einer Überlastschutzeinrichtung ist das Modell OPS 80 der Anmelderin, die in gängigen Katalogmaterialien dargestellt ist. Der OPS 80 weist ein zylindrisches Gehäuse mit Befestigungsbohrungen für eine Montage an einen Industrieroboter auf. An dem zylindrischen Gehäuse ist ein ebenfalls zylindrischer Werkzeughalter angebracht, der linear verschieblich und drehbar befestigt ist. Der Werkzeughalter kann über einen Druckkolben oder über Federmittel mit einer Vorspannkraft beaufschlagt werden und ermöglicht somit die Übertragung eines konstruktiv begrenzten Drehmoments bzw. einer entsprechenden Kraft, was zur Benutzung eines an dem Werkzeughalter angebrachten Werkzeugs notwendig ist. An einer dem Werkzeughalter zugewandten Stirnseite des Gehäuses sind jeweils um 120 Grad versetzt angeordnete induktive Näherungsschalter angeordnet, die im Fall einer Kollision und einer dadurch bewirkten Annäherung des Werkzeughalters an das Gehäuse ein Schaltsignal auslösen können und somit die Bewegungen des Handhabungsgeräts stoppen können.
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Aus der
US 4,717,003 ist eine Überlastschutzeinrichtung bekannt geworden, die zur Erzeugung einer Vorspannkraft Federelemente vorsieht. Über Sensoren wird dabei der Abstand zwischen dem Gehäuse und einer Werkzeugplatte bestimmt. Wird ein vorgegebener Abstand überschritten, so wird ein Signal ausgegeben.
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Aus der
DD 252 512 A3 ist ein Adapter mit Kollisionsschutz bekannt geworden, der ein Grundgehäuse vorsieht. Im Grundgehäuse ist ein Druckvolumen angeordnet, das mittels einer Membran abgedichtet ist. Bei Abheben eines Flansches von Arretierungsmitteln wird über einen Sensor ein Signal abgegeben.
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Weitere Überlastschutzeinrichtungen sind beispielsweise aus der
EP 1 740 353 A1 bekannt.
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Bei derartigen Einrichtungen hat sich die Funktionssicherheit als problematisch herausgestellt. Insbesondere für den Fall, dass an der Schalteinrichtung Beschädigungen auftreten und diese, oder Teile davon, ausgetauscht werden müssen.
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Eine gattungsgemäße Überlastschutzeinrichtungen ist aus der
US 4,714,865 bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus der
US 4,714,865 vorbekannte Überlastschutzeinrichtung in vorteilhafter Weise fortzubilden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Überlastschutzeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Eine derartige Überlastschutzeinrichtung sieht folglich vor, dass die Schalteinrichtung wenigstens einen Magnetfelderzeuger und wenigstens einen davon beabstandeten Magnetfeldsensor derart umfasst, dass dann ein Schaltsignal generiert wird, wenn sich der Magnetfelderzeuger bezüglich des Magnetfeldsensors derart bewegt, dass ein Grenzwert überschritten wird, wobei Mittel zur Verstellung des Grenzwerts vorgesehen sind... Bewegt sich der Halter folglich gegenüber dem Grundgehäuse so dass ein Grenzabstand zwischen dem Magnetfelderzeuger und dem Magnetfeldsensor überschritten wird, so wird auch der einstellbare Grenzwert überschritten und das Schaltsignal wird generiert. Eine solche Überlastschutzeinrichtung hat den Vorteil, dass die Schalteinrichtung berührungsfrei arbeitet. Zudem kann der Magnetfeldsensor so eingestellt werden, dass nur relevante Abstandsänderungen ein Schaltsignal generieren.
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Der Magnetfeldsensor kann insbesondere ein pogrammierbarer, elektronischer Magnetfeldsensor sein, der so einstellbar ist, dass der Grenzwert veränderbar ist. Der Magnetfeldsensor ist vorzugsweise als Schließer ausgebildet ist, der grundsätzlich geöffnet ist und bei detektiertem Magnetfeld einen geschlossen Schaltzustand einnimmt. Bewegt sich der Halter gegenüber dem Grundgehäuse so dass ein Grenzabstand zwischen Magnetfelderzeuger und Magnetfeldsensor überschritten wird, wird auch der Grenzwert überschritten und der Sensor schaltet in einen geöffneten Schaltzustand. Der Schaltkreis wird dann unterbrochen. Die Unterbrechung des Schaltkreises generiert das Schaltsignal.
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Ebenso denkbar wäre, dass der Magnetfeldsensor als Öffner ausgebildet ist, der grundsätzlich geschlossen ist und in der Grundstellung bei detektiertem Magnetfeld einen geöffneten Schaltzustand einnimmt. Bewegt sich der Halter gegenüber dem Grundgehäuse so dass der Grenzwert überschritten wird, so schaltet der Sensor in einen geschlossenen Schaltzustand und ein Schaltkreis wird geschlossen. Das Schließen des Schaltkreises bildet dann das Schaltsignal bzw. generiert es.
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Der Grenzwert, der zur Erzeugung eines Schaltsignals überschritten wird, ist über die vorgesehenen Mittel einstellbar und/oder wird vorzugsweise so gewählt, dass dann ein Schaltsignal erzeugt wird, wenn aufgrund der Lageänderung des Magnetfelderzeugers bezüglich des Magnetfeldsensors der Halter seine Grundstellung verlässt und es zu einem Kollabieren des Systems kommt bzw. der Überlastfall eintritt; der Grenzabstand zwischen Magnetfelderzeuger und Magnetfeldsensor wird überschritten. Kleine, unterhalb des Grenzabstandes liegende Relativbewegungen zwischen Halter und Grundgehäuse, die nicht zu einem Kollabieren des Systems führen, generieren kein Schaltsignal, da sie unterhalb des Grenzwerts bzw. des Grenzabstandes liegen. Durch Verstellung des Grenzwerts wird folglich auch der Grenzabstand verstellt.
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Vorzugsweise umfasst die Vorspanneinrichtung einen Zylinder und einen im Zylinder vorhandenen Druckkolben, wobei der Magnetfelderzeuger am Druckkolben vorgesehen ist und der Magnetfeldsensor außerhalb des Zylinders angeordnet ist. Eine solche Überlastschutzeinrichtung hat den Vorteil, dass zwar der Magnetfelderzeuger am Druckkolben, und damit im Zylinder untergebracht ist. Allerdings ist der Magnetfeldsensor, der das vom Magnetfelderzeuger erzeugte Magnetfeld detektiert, außerhalb des Zylinders angeordnet. Dadurch kann der Magnetfeldsensor frei zugänglich sein und kann leicht ausgetauscht werden. Da das vom Magnetfelderzeuger erzeugte Magnetfeld vom Magnetfeldsensor detektiert wird, kann diese Detektion durch die Zylinderwand hindurch erfolgen, so dass kein direkter Kontakt zwischen dem Magnetfelderzeuger und dem Magnetfeldsensor vorhanden sein muss. Ausreichend ist, den Magnetfelderzeuger so zu wählen, dass dessen Magnetfeld vom Magnetfeldsensor durch die Zylinderwand noch detektierbar ist.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Magnetfelderzeuger als Permanentmagnet ausgebildet ist. Ein Permanentmagnet ist störunanfällig und wartungsfrei. Insofern entfällt ein Austauschen des Permanentmagneten am Druckkolben. Bei sich mit der Schalteinrichtung ergebenden Problemen können diese folglich dann nur beim Magnetfeldsensor liegen.
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Der Magnetfeldsensor als solcher kann insbesondere als magnetischer Näherungsschalter ausgebildet sein, der insbesondere programmierbar ist. Ein magnetischer Näherungsschalter gibt dann ein Schaltsignal, wenn das in seinem Bereich liegende Magnetfeld sich ändert. Vorteilhafterweise kann der Grenzwert, welche zur Erzeugung eines Schaltsignals führt, am Näherungsschalter oder an einer mit dem Näherungsschalter verbundenen Steuereinheit eingestellt werden.
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Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn mehrere und insbesondere drei Näherungsschalter am Gehäuse um den Zylinder angeordnet sind. Die Näherungsschalter sind dabei vorzugsweise äquidistant, in einer Ebene liegend und jeweils einen gleichen Winkel einschließend angeordnet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse eine dem Zylinder abgewandte Außenseite mit wenigstens einer Aufnahmenut für den Näherungsschalter auf. Näherungsschalter können insbesondere sich in Axialrichtung erstrecken und zylinderförmig ausgebildet sein. Derartige Näherungsschalter können in eine solche Aufnahmenut eingeführt werden. Die Befestigung kann dabei vorzugsweise werkzeugfrei erfolgen. Der Näherungsschalter kann dann auf einfache Art und Weise ausgetauscht werden.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Aufnahmenuten vorgesehen, nämlich so viele Aufnahmenuten wie Näherungsschalter Verwendung finden.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Magnetfelderzeuger im radial äußeren Bereich des Druckkolbens am Druckkolben angeordnet ist. Dadurch wird der Abstand hin zur Zylinderwandung, bzw. zur Außenseite des Zylinders, möglichst gering gehalten, so dass das Magnetfeld, welches durch die Zylinderwand hindurch wirkt, vom Magnetfeldsensor detektiert werden kann.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jeweils zwei Magnetfelderzeuger in geringem Abstand zur Ausbildung eines gemeinsamen Magnetfelds vorgesehen sind. Dadurch kann erreicht werden, dass das Magnetfeld eine vorteilhafte, vom Magnetfeldsensor gut zu erkennende Geometrie erhält. Vorzugsweise sind die Magnetfelderzeuger dabei, wie bereits erwähnt, als Permanentmagneten ausgebildet, die nebeneinander in der Ebene des Druckkolbens liegen.
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Der Druckkolben weist vorteilhafterweise wenigstens einen und vorzugsweise drei sich in radialer Richtung erstreckende Aufnahmetaschen zur Aufnahme des wenigstens einen und der vorzugsweise drei Magnetfelderzeuger auf. Dadurch kann die Bewegung des Druckkolbens bezüglich des Zylinders ausreichend detektiert werden. Insbesondere kann eine Abkippbewegung des Druckkolbens, egal in welche Richtung, gut erfasst werden.
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Vorteilhaft ist zudem, wenn die Magnetfelderzeuger und/oder die Aufnahmetaschen zylindrisch und insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sind. Die Magnetfelderzeuger, die insbesondere als Permanentmagneten ausgebildet sein können, können vorzugsweise in derartigen Aufnahmetaschen sicher dauerhaft untergebracht werden.
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Vorteilhafterweise sieht der Druckkolben auf der dem Druckraum abgewandten Seite eine umlaufende, den Druckraum begrenzende Dichtung vor. Dadurch kann gewährleistet werden, dass durch Beaufschlagen des Druckraums mit einem Medium die Vorspannkraft zwischen Gehäuse und Halter erhalten bleibt.
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Zudem ist denkbar, dass ein Federelement vorgesehen ist, dass den Druckkolben in seine Grundstellung drängt. Dadurch kann gewährleistet werden, dass bei Druckabfall der Druckkolben dennoch in der Grundstellung, sofern keine äußeren Kräfte auf ihn einwirken, verbleibt. Das Federelement kann dabei einerends sich am Boden des Zylinders und andererends am Druckkolben abstützen.
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Ferner ist vorteilhaft, wenn eine Steuereinheit zur Auswertung des Schaltsignals und zur Erzeugung eines Befehlssignals vorgesehen ist. Diese Befehlssignale können insbesondere zum Stillstand des Handhabungsgeräts und zur Auslösung eines Alarms führen.
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Weiter Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Überlastschutzeinrichtung,
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2 einen Längsschnitt durch die Einrichtung nach 1,
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3 einen Längsschnitt entsprechend 2 in abgekippter Position,
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4 einen Längsschnitt entsprechend der 2 in ausgelenkter Position und
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5 einen Querschnitt durch den Druckkolben gemäß 1.
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Die in den Figuren dargestellte Überlastschutzeinrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 12 zur Befestigung an einem nicht dargestellten Handhabungsgerät, beispielsweise einem Roboterarm. Am Gehäuse 12 ist beweglich ein Halter 14 angeordnet, an dem ein Werkzeug oder eine Handhabungskomponente anbringbar ist.
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Ferner ist eine Vorspanneinrichtung zur Erzeugung einer Vorspannkraft zwischen Gehäuse 12 und Halter 14 vorhanden, die einen in den 2 bis 4 gezeigten Zylinder 16 und einen im Zylinder 16 vorhandenen Druckkolben 18 umfasst. Der Druckkolben 18 begrenzt einen Druckraum 20, der mit einem Medium, insbesondere Druckluft, druckbeaufschlagbar ist. In der 2 wird der Druckkolben 18 aufgrund der Druckbeaufschlagung in eine dort gezeigte Grundstellung beaufschlagt. Zur Sicherung des Druckkolbens 18 in der Grundstellung ist zudem ein Federelement 22 vorgesehen, das sich einerends am Boden des Zylinders 16 und andererends am Druckkolben 18 abstützt.
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Der Druckkolben 18 weist dabei auf der dem Druckraum 20 abgewandten Seite eine umlaufende, den Druckraum abdichtende Dichtung 24 auf.
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Wie insbesondere aus 2, und auch 5 deutlich wird, sind am Druckkolben 18 Magnetfelderzeuger in Form von Permanentmagneten 26 vorgesehen. Wie aus 5 deutlich wird, sind drei Paare von Permanentmagneten 26, also insgesamt sechs Permanentmagnete 26 vorgesehen. Die Magnete 26 sind dabei im radial äußeren Bereich des Druckkolbens 18 angeordnet. Der Druckkolben 18 sieht dazu für jeden Magneten 26 eine sich in radialer Richtung erstreckende Aufnahmetasche 28 vor. Die drei Paare der Permanentmagneten 26 sind jeweils im Winkelabstand von ca. 120° zueinander angeordnet. Die Permanentmagnete 26 eines jeweiligen Paars sind so angeordnet, dass die beiden Magnete ein gemeinsames Magnetfeld ausbilden.
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Gegenüberliegend zu den Magnetpaarungen ist jeweils ein Magnetfeldschalter in Form eines magnetischen Näherungsschalters 30 angeordnet. Die Näherungsschalter 30 sind dabei jeweils in Aufnahmenuten 32 angeordnet, die tangential um den Zylinder 16 herum angeordnet sind. Die Näherungsschalter 30 können dabei entlang ihrer Längsachse in die Aufnahmenuten 32 eingeschoben werden. Die Näherungsschalter 30 sind damit von außen zugänglich und können leicht ausgetauscht werden.
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Mit jeweils einem Näherungsschalter 30 wird das von dem jeweiligen Paar von Magneten 26 ausgebildete Magnetfeld detektiert. Für den Fall, dass sich eine relevante Änderung im Magnetfeld ergibt wird von dem jeweiligen Näherungsschalter ein Schaltsignal generiert und einer in den Figuren nicht dargestellten Steuereinheit zugeführt.
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Falls ein am Halter 14 angeordnetes Werkzeug beim Verfahren des Gehäuses 12 mit einem Objekt ungewollterweise kollidiert, findet bei Überwinden der von der Vorspanneinrichtung aufgebrachten Vorspannkraft eine Relativbewegung zwischen dem Gehäuse 12 und dem Halter 14 statt. Dadurch fällt der Druck im Druckraum 20 ab; das System kollabiert. Aufgrund der Relativbewegung des Druckkolbens 18 im Zylinder 16 ändert sich das von den Näherungsschaltern 30 detektierte Magnetfeld. Ändert sich das Magnetfeld derart, dass ein Grenzwert überschritten wird, dann wird ein Schaltsignal erzeugt. Die das Schaltsignal auswertende Steuereinheit kann dann Befehlssignale versenden, beispielsweise ein Warnsignal oder auch ein Signal, das zum Stillstand des Handhabungsgeräts führt.
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Bei einer Kollision wird folglich der Druckkolben 18 aus seiner Grundstellung, wie sie in 2 dargestellt ist in eine Stellung abgekippt, wie sie in 3 dargestellt ist oder in eine Stellung ausgelenkt, wie sie in 4 dargestellt ist.
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In 3 ist einer der drei Näherungsschalter 30 im Schnitt zu erkennen. Aufgrund des Abkippens des Halters 14 mit dem Druckkolben 18 wird das von Näherungsschalter 30 detektierte Magnetfeld verändert; der Näherungsschalter 30 erzeugt ein Signal. Entsprechend verhält es sich mit den anderen Näherungsschaltern 30, die im Schnitt der 3 nicht dargestellt sind.
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In der 4, die den nach axial unten ausgelenkten Halter 14 mit Druckkolben 18 darstellt, verändern die im Schnitt dargestellten Permanentmagneten 26 ebenfalls ihre relative Lage zum im Schnitt dargestellten Näherungsschalter 30. Das sich hierdurch veränderte Magnetfeld kann vom Schalter 30 detektiert werden und ein entsprechendes Schaltsignal kann generiert werden.
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Im Schnitt gemäß 3 und 4 sind gehäuseseitig Zentrierbolzen 34 dargestellt, welche in der Grundstellung des Druckkolbens, wie sie in 2 gezeigt ist, mit kolbenseitigen Zentrierkegeln 36 zusammenwirken, so dass der Halter 14 bezüglich des Gehäuses 12 eine zentrierte Lage einnimmt.
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Wie aus den 2 bis 4 deutlich wird, ist das Gehäuse 12 zweiteilig aufgebaut und weist ein Grundteil 38 und einen Deckel 40 auf.
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Die in den Figuren dargestellte Überlastschutzeinrichtung 10 hat den Vorteil, dass im Zylinder 16 am Druckkolben 18 wartungsfreie Magnetfelderzeuger in Form von Permanentmagneten 26 vorgesehen sind. An der Außenseite des Gehäuses 12 sind mit den Permanentmagneten 26 zusammenwirkende Näherungsschalter 30 angeordnet, die frei zugänglich und austauschbar sind. Das von den Permanentmagneten 26 erzeugte Magnetfeld wird folglich durch die Wandung des Zylinders 16 hindurch von den Magnetfeldsensoren 30 erfasst.
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Um ein ungewolltes Erzeugen von Schaltsignalen zu verhindern, ist vorteilhaft, wenn die Näherungsschalter 30 derart eingestellt werden können, dass nur dann Schaltsignale erzeugt werden, wenn die relative Lage des jeweiligen Magnets 26 zum jeweiligen Näherungsschalter 30 einen Grenzabstand überschreitet und damit der Grenzwert überschritten wird. Dadurch kann verhindert werden, dass kleine Relativbewegungen zwischen dem Druckkolben und dem Gehäuse, die unterhalb des Grenzabstandes liegen und auch nicht zu einem Kollabieren des Systems führen, nicht zur Erzeugung von Schaltsignalen führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4717003 [0004]
- DD 252512 A3 [0005]
- EP 1740353 A1 [0006]
- US 4714865 [0008, 0009]
