DE202013009833U1 - Electric cylinder with force sensor - Google Patents
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Abstract
Elektrozylinder (10) mit einem Gehäuse (12), in dem eine Gewindespindel (14) bezüglich einer Längsachse (11) drehbeweglich gelagert ist, wobei die Gewindespindel (14) abschnittsweise von einem Ausleger (20) umgeben ist, welcher mit einem ersten Ende (21) in Richtung der Längsachse (11) aus dem Gehäuse (12) herausragt, wobei er am gegenüberliegenden zweiten Ende (22) mit einer Mutter (30) versehen ist, welche in die Gewindespindel (14) eingreift, wobei die Mutter (30) bezüglich der Längsachse (11) relativ zum Gehäuse (12) mit einer Verdrehsicherung (15) gegen Verdrehen gesichert ist, wobei am ersten Ende (21) des Auslegers (20) ein Kugelgelenkkopf (50) mit einer Lagerbohrung (51) angeordnet ist, wobei der Elektrozylinder (10) einen Kraftsensor (60) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (60) von einem gesonderten Bolzen (40) gebildet wird, welcher die Lagerbohrung (51) des Kugelgelenkkopfes (50) durchsetzt.Electric cylinder (10) with a housing (12) in which a threaded spindle (14) is rotatably mounted with respect to a longitudinal axis (11), wherein the threaded spindle (14) is surrounded in sections by a cantilever (20), which with a first end ( 21) in the direction of the longitudinal axis (11) protrudes from the housing (12), wherein it is provided at the opposite second end (22) with a nut (30) which engages in the threaded spindle (14), wherein the nut (30) with respect to the longitudinal axis (11) relative to the housing (12) with a rotation (15) is secured against rotation, wherein at the first end (21) of the boom (20) a ball joint head (50) with a bearing bore (51) is arranged the electric cylinder (10) comprises a force sensor (60), characterized in that the force sensor (60) by a separate bolt (40) is formed, which passes through the bearing bore (51) of the ball joint head (50).
Description
Die Erfindung betrifft einen Elektrozylinder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an electric cylinder according to the preamble of claim 1.
Ein bekannter Elektrozylinder umfasst ein Gehäuse, in dem eine Kugelgewindespindel bezüglich einer Längsachse über Radialwälzlager drehbeweglich gelagert ist. Abseits der Drehlagerung ist die Gewindespindel von einem rohrförmigen Ausleger umgeben, der mit einem ersten Ende aus dem Gehäuse herausragt. Am gegenüberliegenden zweiten Ende ist der Ausleger mit einer Kugelgewindemutter fest verbunden, welche mit ihren endlos umlaufenden Kugeln in die Gewindespindel eingreift. Weiter ist eine Verdrehsicherung vorgesehen, welche eine Gleitleiste umfasst, die fest mit der Mutter verbunden ist, wobei sie in einer entlang der Längsachse verlaufenden Nut im Gehäuse läuft. Damit kann die Mutter bezüglich der Längsachse nicht gegenüber dem Gehäuse verdreht werden. Weiter ist ein gesonderter Kraftsensor vorgesehen, der einen Kugelgelenkkopf mit einer Lagerbohrung aufweist, wobei der Kraftsensor am ersten Ende des Auslegers befestigt wird.A known electric cylinder comprises a housing in which a ball screw spindle is rotatably mounted with respect to a longitudinal axis via radial rolling bearings. Away from the pivot bearing, the threaded spindle is surrounded by a tubular arm, which protrudes with a first end of the housing. At the opposite second end of the boom with a ball screw nut is firmly connected, which engages with their endless rotating balls in the threaded spindle. Further, an anti-rotation device is provided, which comprises a slide strip, which is fixedly connected to the mother, wherein it runs in a groove extending along the longitudinal axis in the housing. Thus, the mother can not be rotated relative to the housing with respect to the longitudinal axis. Further, a separate force sensor is provided, which has a ball joint head with a bearing bore, wherein the force sensor is attached to the first end of the boom.
Der Nachteil dieses Elektrozylinders besteht darin, dass der Kraftsensor die Baulänge des Elektrozylinders in Richtung der Längsachse vergrößert.The disadvantage of this electric cylinder is that the force sensor increases the overall length of the electric cylinder in the direction of the longitudinal axis.
Gemäß dem selbständigen Anspruch ist ein erfindungsgemäßer Elektrozylinder dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor von einem gesonderten Bolzen gebildet wird, welcher die Lagerbohrung des Kugelgelenkkopfes durchsetzt. Ein derartiger Elektrozylinder weist eine kurze Baulänge auf.According to the independent claim, an electric cylinder according to the invention is characterized in that the force sensor is formed by a separate bolt which passes through the bearing bore of the ball joint head. Such an electric cylinder has a short length.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.In the dependent claims advantageous refinements and improvements of the invention are given.
Die Mutter kann eine Innenprofilierung aufweisen, wobei mehrere gesonderte Planetenrollen mit einer Außenprofilierung vorgesehen sind, die sowohl in die Innenprofilierung der Mutter als auch in die Gewindespindel eingreifen. Bei der Innen- und der Außenprofilierung handelt es sich vorzugsweise jeweils um ein Gewinde mit schraubenförmigen Profilrillen, die eine entgegengesetzte Steigungsrichtung aufweisen, so dass sich die Planetenrollen in Längsrichtung nicht gegenüber der verbleibenden Mutter bewegen, wenn sie an der Innenprofilierung abwälzen. Ein derartiger Planetengewindetrieb kann besonders hohe Kräfte übertragen, insbesondere deutlich höhere Kräfte als ein Kugelgewindetrieb. Der erfindungsgemäße Kraftsensor ist in der Lage, diese Kräfte aufzunehmen und zu messen. Bei der Innen- und/oder der Außenprofilierung kann es sich aber auch um endlos umlaufende Profilrillen handeln.The nut may have an inner profiling, wherein a plurality of separate planetary rollers are provided with an outer profiling, which engage both in the inner profiling of the nut and in the threaded spindle. The inner and the outer profiling are preferably each a thread with helical profile grooves, which have an opposite pitch direction, so that the planetary rollers do not move in the longitudinal direction relative to the remaining nut when they roll on the inner profiling. Such a planetary screw drive can transmit particularly high forces, in particular significantly higher forces than a ball screw. The force sensor according to the invention is able to absorb and measure these forces. In the inner and / or outer profiling but it can also be endless circumferential tread grooves.
Es kann ein erster und ein zweiter Gabelschenkel vorgesehen sein, zwischen denen der Kugelgelenkkopf angeordnet ist, wobei der Bolzen außerdem den ersten und den zweiten Gabelschenkel durchsetzt. Die gesamte in Richtung der Langsachse wirkende Kraft des Elektrozylinders wird so über den Bolzen übertragen, so dass sie genau gemessen werden kann. Der erste und der zweite Gabelschenkel sind vorzugsweise Bestandteil eines einstückigen Gabellagerbocks.There may be provided a first and a second fork leg, between which the ball joint head is arranged, wherein the bolt also passes through the first and the second fork legs. The entire force acting in the direction of the longitudinal axis of the electric cylinder is transmitted via the bolt so that it can be measured accurately. The first and second fork legs are preferably part of a one-piece forked bearing block.
Der Bolzen kann einen Transformator mit wenigstens einer Primär- und wenigstens einer Sekundärspule umfassen, welche von einem gemeinsamen Ringkern durchsetzt werden, wobei der Ringkern so mit dem Bolzen verbunden ist, dass er elastisch verformt wird, wenn eine in Richtung der Langsachse wirkende Kraft auf den Bolzen einwirkt. Um die auf den Bolzen einwirkende Kraft zu messen, wird in die wenigstens eine Primärspule eine Wechselspannung eingespeist, welche in die wenigstens eine Sekundärspule eine Wechselspannung induziert, deren Amplitude von der Form des Ringkerns abhängt. Hierfür kann der Ringkern insbesondere einen Spalt aufweisen, dessen Breite sich aufgrund der Krafteinwirkung ändert.The bolt may comprise a transformer having at least one primary and at least one secondary coil, which are penetrated by a common ring core, wherein the toroidal core is connected to the bolt so that it is elastically deformed when a force acting in the direction of the longitudinal axis on the Bolt acts. In order to measure the force acting on the bolt, an alternating voltage is fed into the at least one primary coil which induces in the at least one secondary coil an alternating voltage whose amplitude depends on the shape of the toroidal core. For this purpose, the toroidal core may in particular have a gap whose width changes due to the action of force.
Der Bolzen kann mit wenigstens einem ohmschen Widerstandselement versehen sein, welches derart mit dem Bolzen verbunden ist, dass es elastisch verformt wird, wenn eine in Richtung der Langsachse wirkende Kraft auf den Bolzen einwirkt. Bei dem ohmschen Widerstandselement kann es sich um einen Dehnungsmessstreifen oder um eine Dünnfilmbeschichtung handeln. Eine kraftbedingte Formänderung des Widerstandselements bewirkt eine Änderung dessen ohmschen Widerstands. Vorzugsweise sind insgesamt vier Widerstandselemente vorgesehen, die in Form einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind, um Temperatureinflüsse bei der Kraftmessung zu minimieren.The bolt may be provided with at least one ohmic resistance element which is connected to the bolt such that it is elastically deformed when a force acting in the direction of the longitudinal axis acts on the bolt. The ohmic resistance element may be a strain gauge or a thin film coating. A force-induced change in shape of the resistance element causes a change in its ohmic resistance. Preferably, a total of four resistive elements are provided, which are interconnected in the form of a bridge circuit to minimize temperature effects in the force measurement.
Der Bolzen kann einen ersten, einen zweiten und einen dritten Abschnitt aufweisen, wobei der dritte Abschnitt die Lagerbohrung durchsetzt, wobei der dritte Abschnitt über wenigstens einen ersten Biegebalken mit dem ersten Abschnitt verbunden ist, wobei er über wenigstens einen zweiten Biegebalken mit dem zweiten Abschnitt verbunden ist, wobei der erste und der zweite Biegebalken eine geringere Biegesteifigkeit aufweisen als der erste, der zweite und der dritte Abschnitt, wobei das wenigstens eine Widerstandselement mit dem wenigstens einen ersten und/oder mit dem wenigstens einen zweiten Biegebalken fest verbunden ist. Aufgrund der Krafteinwirkung auf den Bolzen tritt an den Biegebalken eine ausreichend große elastische Dehnung bzw. Stauchung auf, welche mit dem Widerstandselement gut gemessen werden kann. Die Form der Biegebalken kann gleichzeitig problemlos so ausgelegt werden, dass aus der gemessenen Dehnung die einwirkende Kraft genau berechnet werden kann.The bolt may have a first, a second and a third section, wherein the third section passes through the bearing bore, wherein the third section is connected to the first section via at least one first bending beam, wherein it connects to the second section via at least one second bending beam wherein the first and the second bending beam have a lower bending stiffness than the first, the second and the third section, wherein the at least one resistance element is fixedly connected to the at least one first and / or the at least one second bending beam. Due to the action of force on the bolt occurs on the bending beam on a sufficiently large elastic strain or compression, which can be measured well with the resistance element. The shape of the bending beam can at the same time be easily designed so that from the measured strain the acting force can be calculated exactly.
Der erste Abschnitt kann den ersten Gabelschenkel durchsetzen, wobei der zweite Abschnitt den zweiten Gabelschenkel durchsetzt. Die Biegebalken sind damit nicht an der Lastabtragung auf die Lagerbohrung oder die Gabelschenkel beteiligt, so dass die Kraftmessung hierdurch nicht beeinträchtigt wird.The first section can pass through the first fork leg, wherein the second section passes through the second fork leg. The bending beams are thus not involved in the load transfer to the bearing bore or the fork legs, so that the force measurement is not affected thereby.
Die Lagerbohrung kann kreiszylindrisch ausgebildet sein, wobei sie senkrecht zur Längsachse verläuft, wobei vorzugsweise der erste, der zweite und der dritte Abschnitt ebenfalls kreiszylindrisch ausgebildet sind. Ein derartiger Elektrozylinder ist besonders einfach herstellbar. Die vorgeschlagene Form bewirkt aber, dass sich der Bolzen verdrehen kann. Damit ist nicht mehr sichergestellt, dass die einwirkende Kraft genau gegenüber dem Bolzen die für die Kraftmessung optimale Richtung aufweist. Auf die Lösung dieses Problems wird weiter unten eingegangen.The bearing bore may be formed circular cylindrical, wherein it is perpendicular to the longitudinal axis, wherein preferably the first, the second and the third portion are also formed circular cylindrical. Such an electric cylinder is particularly easy to produce. However, the proposed shape causes the bolt can rotate. This is no longer sure that the force acting exactly opposite the bolt has the optimal direction for the force measurement. The solution to this problem will be discussed below.
Die Verdrehsicherung kann an einem Ende des Gehäuses angeordnet sein, an welchem der Ausleger aus dem Gehäuse heraustritt. Die Verdrehsicherung bewirkt in erster Linie, dass das entsprechende Drehmoment nicht vom Bolzen aufgenommen werden muss. Dies würde das Ergebnis der Kraftmessung verfälschen. Durch die vorgeschlagene Anordnung der Verdrehsicherung wird der Bolzen bestmöglich von dem genannten Drehmoment entlastet.The anti-rotation device can be arranged at one end of the housing, on which the boom emerges from the housing. The anti-rotation causes primarily that the corresponding torque does not have to be absorbed by the bolt. This would falsify the result of the force measurement. The proposed arrangement of the rotation of the bolt is best relieved of said torque.
Der Bolzen kann eine Nut mit einer Bodenfläche aufweisen, welche quer zum Bolzen verläuft, wobei wenigstens eine gesonderte Platte vorgesehen ist, die in die Nut eingreift, wobei sie mit einer ebenen Randfläche an der Bodenfläche anliegt. Die Platte bewirkt einerseits, dass sich der Bolzen nicht bezüglich der Mittelachse der Lagerbohrung verdrehen kann. Weiter verhindert die Platte, dass sich der Bolzen in Richtung der Mittelachse der Lagerbohrung verschiebt.The bolt may have a groove with a bottom surface which extends transversely to the bolt, wherein at least one separate plate is provided, which engages in the groove, wherein it rests with a flat edge surface on the bottom surface. The plate on the one hand causes the bolt can not rotate with respect to the central axis of the bearing bore. Next prevents the plate that the bolt moves in the direction of the central axis of the bearing bore.
Die wenigstens eine Platte kann an dem ersten oder dem zweiten Gabelschenkel befestigt sein und vorzugsweise mit diesem verschraubt sein. Ein derartiger Elektrozylinder ist besonders kostengünstig.The at least one plate may be attached to the first or the second fork leg and preferably screwed thereto. Such an electric cylinder is particularly inexpensive.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Bei dem Ausleger
Am ersten Ende
Zu beiden Seiten neben dem Kugelgelenkkopf
Der Bolzen
Am äußeren Rand des ersten und des zweiten Abschnitts
Hinzuweisen ist noch auf die Auswerteelektronik
Die vier ohmschen Widerstandselemente
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Elektrozylinderelectric cylinders
- 1111
- Längsachselongitudinal axis
- 1212
- Gehäusecasing
- 1313
- Drehlagerpivot bearing
- 1414
- Gewindespindelscrew
- 1515
- Verdrehsicherungtwist
- 1616
- Ende des Gehäuses, an dem der Ausleger heraustrittEnd of the housing on which the boom emerges
- 1717
- Grundkörperbody
- 2020
- Auslegerboom
- 2121
- erstes Endefirst end
- 2222
- zweites Endesecond end
- 2323
- Abflachungflattening
- 2424
- Gewindezapfenthreaded pin
- 3030
- Muttermother
- 3131
- Innenprofilierunginternal profiling
- 3232
- Planetenrolleplanetary roller
- 3333
- Außenprofilierungoutside profiling
- 4040
- Bolzenbolt
- 4141
- erster Abschnittfirst section
- 4242
- zweiter Abschnittsecond part
- 4343
- dritter Abschnittthird section
- 4444
- erster Biegebalkenfirst bending beam
- 4545
- zweiter Biegebalkensecond bending beam
- 4646
- Nutgroove
- 4747
- Bodenflächefloor area
- 4848
- Auswerteelektronikevaluation
- 4949
- Steckbuchsereceptacle
- 5050
- KugelgelenkkopfBall joint head
- 5151
- Lagerbohrungbearing bore
- 5252
- erster Gabelschenkelfirst fork leg
- 5353
- zweiter Gabelschenkelsecond fork leg
- 5454
- GabellagerbockFork bearing block
- 5555
- Mittelachse der LagerbohrungCenter axis of the bearing bore
- 5656
- Klemmschraubeclamping screw
- 5757
- Befestigungsbohrungmounting hole
- 6060
- Kraftsensorforce sensor
- 6161
- Widerstandselementresistive element
- 6262
- erster Brückenknotenfirst bridge node
- 6363
- zweiter Brückenknotensecond bridge node
- 6464
- dritter Brückennotenthird bridge notes
- 6565
- vierter Brückenknotenfourth bridge node
- 6666
- Gelenkkraftjoint power
- 6767
- Gabelkraftfork force
- 7070
- Platteplate
- 7171
- Randfläche der PlatteEdge surface of the plate
- 7272
- Schraubescrew
- 7373
- Innengewindeinner thread
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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