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Fachgebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrozylinder.
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Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf einen Elektrozylinder mit einer Vorrichtung zum Erfassen und zur Steuerung der an dem Zylinder angreifenden Last und/oder der von dem Zylinder ausgeübten Kraft.
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Stand der Technik
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Im Allgemeinen bestehen die bekannten Elektrozylinder aus einem Linearaktuator, der mit einem Elektromotor zusammengebaut ist, der direkt am hinteren Zylinderkopf axial zum Aktuator montiert ist oder aber über eine 90°- oder 180°-Kupplung umgelenkt mit dem Aktuator verbunden ist.
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Diese Elektrozylinder können bei verschiedenen technischen Anwendungen anstelle von Pneumatik- oder Hydraulikzylindern eingesetzt werden.
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Obwohl Elektrozylinder den gleichen Aufbau wie Pneumatikzylinder haben, weisen sie den Vorteil auf, dass sie sowohl bei Schub als auch bei Zug die gleiche Kraft aufbringen. Demzufolge können Elektrozylinder größere Kolbenstangen und Spindeln mit größerem Durchmesser aufnehmen und so höhere mechanische Leistungen im Hinblick auf ausgeübte Kraft, Geschwindigkeit und angreifende Lasten ermöglichen. Darüber hinaus ist der Einsatz von Elektrozylindern anstelle von Pneumatikzylindern vorteilhaft, wenn Bewegungen mit zahlreichen, wiederholten und präzisen Positionierungen erforderlich sind.
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Anhand der obigen Darstellung wird deutlich, dass Elektrozylinder äußerst vielseitig sind und sich an eine Vielzahl verschiedener Anwendungen anpassen lassen.
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Im Besonderen können sie bei Anwendungen eingesetzt werden, bei denen es vorteilhaft – wenn nicht gar notwendig – ist, über eine präzise Erfassung und demzufolge eine ebenso präzise Steuerung der angreifenden Last zu verfügen.
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Als Beispiele können genannt werden:
- – Setzsysteme oder Einpress-Positioniersysteme, bei denen die garantierte Mindestlast zertifiziert sein muss;
- – Sicherheitssysteme, die gewährleisten, dass verhindert wird, dass unvorhergesehene und besonders hohe Kräfte ein Bauteil während seines Betriebs beschädigen;
- – Prüfstände;
- – Spann- und Arretiersysteme mit kontrollierter Last.
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Es ist daher erforderlich geworden, vorzusehen, dass ein Elektrozylinder mit einer Vorrichtung zum Erfassen der angreifenden Last verbunden ist.
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Alle bislang vorgeschlagenen Lösungen sehen jedoch mechanische Verbindungsstrukturen zwischen einem Elektrozylinder und der betreffenden Vorrichtung zur Bestimmung der angreifenden Last vor, die komplex und platzraubend sind.
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Zu nennen ist beispielsweise das Dokument
JP 2005-313277 , in dem ein System zum Montieren eines Sicherungsrings in einem Kolben beschrieben wird, bei dem der Halter des Sicherungsrings von einem Elektrozylinder angetrieben wird, der mit einer Kraftmessdose verbunden ist, die es – durch Erfassen der Last – ermöglicht zu bestimmen, ob der Ring richtig montiert ist oder nicht. In dem oben beschriebenen System sind der Elektrozylinder und die Kraftmessdose über eine extrem platzraubende und komplexe Rahmenstruktur verbunden.
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Das Vorhandensein derartiger komplexer Verbindungsstrukturen birgt einige offensichtliche Nachteile im Hinblick sowohl auf Bauraum als auch auf Gewicht. Erstens schränken sie die Anwendung von Elektrozylindern in engen Räumen ein. Zweitens führt die durch die Verbindungsstruktur bedingte Zunahme des Bauraums und Gewichts zu einer entsprechenden Beschränkung der Größe und der Leistung des einsetzbaren Elektromotors und letzten Endes der Leistungen des Elektrozylinders.
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Darüber hinaus ist offensichtlich, dass die Komplexität des den Elektrozylinder und die entsprechende Vorrichtung zum Erfassen der Last umfassenden Systems eine erhebliche Erhöhung der Produktionskosten und -zeiten mit sich bringt.
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Hauptaufgabe dieser Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu überwinden, indem ein Elektrozylinder bereitgestellt wird, bei dem das Vorhandensein einer Vorrichtung zum Erfassen der Last eine vernachlässigbare Zunahme des Bauraums und Gewichts beinhaltet, sodass ein im Vergleich zu den bekannten Zylindern vielseitigerer und leistungsstärkerer Elektrozylinder zu gemäßigten Produktionskosten und -zeiten erhalten wird.
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Diese und andere Aufgaben werden mit einem Elektrozylinder nach den beigefügten Ansprüchen erfüllt.
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Darlegung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zum Erfassen der am Elektrozylinder angreifenden Last in den Zylinder auf Höhe von dessen hinterer Kopfanordnung integriert und zwischen dem Aktuator des Zylinders und dem mit ihm verbundenen Elektromotor angeordnet.
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Im Besonderen ist die Vorrichtung zum Erfassen der Last so mit der auf die Kolbenstange des Elektrozylinders wirkenden Spindel des Spindel-Mutter-Systems verbunden, dass die auf die Kolbenstange wirkende Last erfasst werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Elektrozylinder eine hintere Kopfanordnung, die in ihrem Inneren einen Raum begrenzt, der von der Spindel des Elektrozylinders durchquert wird und in dem eine Anordnung montiert ist, die umfasst:
- – ein erstes Lager, das auf die Spindel aufgepresst ist,
- – ein zweites Lager, das auf die Spindel aufgepresst ist, und
- – eine Vorrichtung zum Erfassen der Last, die zwischen dem ersten Lager und dem zweiten Lager angeordnet ist und mit der Spindel verbunden ist.
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Dank der im Innern der hinteren Kopfanordnung des Zylinders vorhandenen Vorrichtung zum Erfassen der Last kann der Wert der am Zylinder angreifenden Last und/oder der vom Zylinder ausgeübten Schubkraft während seiner Bewegung genau in Echtzeit erfasst – und demzufolge gesteuert – werden.
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Im Übrigen ist offensichtlich, dass das Vorhandensein der Vorrichtung zum Erfassen der Last in der hinteren Kopfanordnung des Zylinders eine im Grunde vernachlässigbare Zunahme des Gesamtbauraums und -gewichts des Elektrozylinders beinhaltet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Erfassen der Last eine ringförmige Kraftmessdose, die zwischen dem ersten Lager und dem zweiten Lager auf die Spindel aufgepresst ist.
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Bevorzugt werden zwischen der Kraftmessdose und dem ersten bzw. dem zweiten Lager jeweils Ausgleichsringe angeordnet.
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Während nach dem Stand der Technik bei Anwendungen wie beispielsweise den weiter oben genannten, bei denen es vorteilhaft – wenn nicht gar notwendig – ist, über eine präzise Erfassung und demzufolge eine ebenso präzise Steuerung der angreifenden Last zu verfügen, bürstenlose Motoren oder Gleichstrommotoren verwendet werden müssen, ist es dank der Erfindung vorteilhafterweise möglich, mit dem Aktuator des Elektrozylinders auch einen ansonsten nicht verwendbaren Schrittmotor zu verbinden, was zu einer deutlichen Senkung der Kosten führt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen, rein beispielhaften und nicht abschließenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen deutlich. In diesen zeigen:
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die 1a eine perspektivische Ansicht des Elektrozylinders gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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die 1b eine perspektivische Explosionsansicht des Elektrozylinders aus 1;
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die 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Details des Elektrozylinders aus 1 bezüglich der Vorrichtung zum Erfassen der Last; und
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die 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Details des Elektrozylinders aus 1 bezüglich des Vorrichtung zum Erfassen der Last gemäß einer Ausführungsvariante.
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Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Unter Verweis auf die 1a und 1b wird ein erfindungsgemäßer Elektrozylinder 1 dargestellt.
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Der Elektrozylinder 1 umfasst auf an sich bekannte Weise einen Linearaktuator 3 und einen Elektromotor zum Antreiben des Aktuators. Zur Vereinfachung und Verdeutlichung ist der Elektromotor in den Figuren nicht enthalten, und in 1a ist nur eine Montageanordnung zum Verbinden des Elektromotors mit dem Aktuator 3 in einer Konfiguration mit umgelenktem Motor dargestellt.
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Für den Fachmann ist offenkundig, dass der Elektromotor auch axial zum Linearaktuator 3 montiert sein könnte oder mit diesem über eine anders aufgebaute Montageanordnung verbunden werden könnte.
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Der Aktuator 3 umfasst ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 7, das bevorzugt aus Metall (beispielsweise Aluminium) ausgeführt ist und das eine dem Elektromotor näher gelegene hintere Kopfanordnung 7a, ein Zwischenelement oder einen Mantel 7b und eine vom Elektromotor weiter entfernte vordere Kopfanordnung 7c umfasst. In dem in den 1a und 1b dargestellten Beispiel besteht die hintere Kopfanordnung 7a insbesondere aus einem eigentlichen hinteren Kopf 7a', der mit dem Mantel 7b verbunden ist, und aus einem hinteren Gegenkopf 7a'', der mit Mitteln zum Verbinden mit dem Elektromotor oder der Montageanordnung des Elektromotors, sofern vorgesehen, versehen ist.
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Im Innern des Gehäuses 7 ist eine translatorisch bewegliche Kolbenstange 9 montiert, deren Spitze 9a am Gehäuse 7 auf Höhe der vorderen Kopfanordnung 7c des Gehäuses austritt.
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Die Kolbenstange 9 wird von dem mit dem Aktuator 3 verbundenen Elektromotor bewegt:
Die Drehbewegung des Elektromotors wird über ein Spindel-Mutter-System zur Bewegungsumsetzung, das eine Spindel 11 und eine Spindelmutter 13 umfasst, die in einem entsprechenden Kolben untergebracht ist und von diesem getragen wird, in eine Längsbewegung für die Kolbenstange 9 umgesetzt. Verwendet werden kann beispielsweise eine Kugelumlaufspindel; für den Fachmann ist jedoch offenkundig, dass auch die Verwendung einer Spindel eines anderen Typs (Trapezgewindespindel, Rollenumlaufspindel usw.) vorgesehen werden kann.
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Erfindungsgemäß definiert die hintere Kopfanordnung 7a, d. h. die Kopplung des Kopfes 7a' und des Gegenkopfes 7a'', einen Raum, der von der Spindel 11 durchquert wird und eine Vorrichtung zum Erfassen der Last 19 aufnimmt, die mit dieser Spindel 11 verbunden ist, um die Last zu erfassen, die auf die mit ihr verbundene Kolbenstange 9 einwirkt.
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Das Vorhandensein der Vorrichtung zum Erfassen der Last 19 ermöglicht es, genau und in Echtzeit die an der Kolbenstange 9 des Elektrozylinders 1 angreifende Last und/oder die vom Zylinder 1 selbst ausgeübte Kraft zu bestimmen.
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Darüber hinaus wird dadurch, dass die Vorrichtung zum Erfassen der Last 19 in den Elektrozylinder integriert ist, die Zunahme des Bauraums und des Gewichts im Zusammenhang mit der Einführung dieser Vorrichtung minimiert.
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In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Erfassen der Last eine Kraftmessdose 19.
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Eine Kraftmessdose ist bekanntlich ein Messwandler, der verwendet wird, um eine Kraft – insbesondere eine Druck- oder Zugkraft –, die an einem mechanischen Bauteil angreift, durch Messen eines elektrischen Signals, das sich aufgrund der Verformung, die durch diese Kraft am Bauteil bewirkt wird, verändert, zu messen. Sie besteht im Allgemeinen aus einem Metallkörper, an dem ein oder mehrere Dehnungsmesser angebracht werden, welche die mechanische Verformung des Materials (Druck oder Zug) über die Änderung des elektrischen Widerstands, die diese Verformung in ihrem Stromkreis verursacht, ablesen.
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In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Erfassen der Last im Besonderen eine auf die Spindel 11 aufgepresste ringförmige Kraftmessdose 19.
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Im ganz Besonderen definiert die hintere Kopfanordnung 7a gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform in ihrem Inneren einen Raum, der von der Spindel 11 durchquert wird und der aufnimmt:
- – ein erstes Lager 21a, das auf die Spindel 11 aufgepresst ist;
- – ein zweites Lager 21b, das auf die Spindel 11 aufgepresst ist, und
- – eine ringförmige Kraftmessdose 19, die auf die Spindel 11 aufgepresst ist, wobei die Kraftmessdose zwischen dem ersten Lager 21a und dem zweiten Lager 21b angeordnet ist.
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Das erste und das zweite Lager 21a, 21b können kombinierte Radial- und Axiallager sein; alternativ ist es auch möglich, eine Kombination aus reinen Radiallagern und aus reinen Axiallagern zu verwenden, die in geeigneter Weise angeordnet sind. Diese Lager können aus einem Innenring und einem Außenring bestehen, zwischen denen eine Vielzahl von Rollelementen (beispielsweise Kugeln oder Rollen) vorgesehen ist.
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Bevorzugt werden zwischen der Kraftmessdose 19 und dem ersten Lager 21a und dem zweiten Lager 21b jeweils Ausgleichsringe 23a, 23b angeordnet.
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Diese Ausgleichsringe können starr oder flexibel sein, d. h. beispielsweise mit entsprechenden Tellerfedern (nicht dargestellt) kombiniert sein.
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Wie in 2 besser zu sehen ist, bilden gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die beiden Lager 21a, 21b und die zwischen ihnen angeordnete Kraftmessdose 19 eine Art Gruppe oder Paket, die bzw. das im Inneren der hinteren Kopfanordnung 7a des Gehäuses 7 montiert ist, wobei die Innenoberfläche, d. h. der Innenring, der Lager 21a, 21b an der Kraftmessdose 19 fixiert ist.
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In dem in 2 dargestellten Beispiel ist die Gruppe oder das Paket, die bzw. das aus den Lagern 21a, 21b und der Kraftmessdose 19 gebildet wird, in dem Raum im Innern der hinteren Kopfanordnung 7a über O-Ringe 25a und 25b montiert, die jeweils an der Außenoberfläche des ersten bzw. des zweiten Lagers 21a und 21b, d. h. auf dem Außenring dieser Lager, vorgesehen sind. Diese O-Ringe 25a und 25b wirken mit der Innenwand des Raums zusammen, der die Gruppe oder das Paket, das aus den Lagern 21a, 21b und der Kraftmessdose 19 gebildet wird, aufnimmt, so dass die radiale – aber in axialer Richtung nicht starre – Blockierung der Gruppe oder des Pakets gewährleistet ist.
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In 3 ist dagegen eine Ausführungsvariante dargestellt, in der das Blockieren und Halten der genannten Gruppe bzw. des genannten Pakets mittels axialer Zylinderstifte 27a und 27b gewährleistet wird, die an der Außenoberfläche der Lager 21a und 21b vorgesehen sind. In diesem Fall ist eine entsprechende mechanische Bearbeitung der Außenoberfläche der Lager 21a, 21b, d. h. der Außenringe der Lager, vorgesehen.
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Ebenfalls unter Verweis auf die 2 und 3 ist der Passring 29 zwischen der Spindel 11 und dem zweiten Lager 21b zu erkennen.
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In den 2 und 3 ist auch das Versorgungskabel 31 zur Stromversorgung der Kraftmessdose 19 zu erkennen.
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Anhand der obigen Darstellung wird deutlich, dass die Erfindung die gestellten Aufgaben erfüllt, da sie es ermöglicht, einen Elektrozylinder mit einer Vorrichtung zum Erfassen der Last ohne wesentliche Zunahme des Gesamtbauraums und/oder -gewichts des Zylinders zu versehen. Darüber hinaus ermöglicht sie es, komplexe Strukturen zu vermeiden und dadurch beträchtliche Erhöhungen der Produktionskosten und/oder -zeiten zu vermeiden.
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Zudem ist offensichtlich, dass die obige Beschreibung in Bezug auf die dargestellte bevorzugte Ausführungsform rein beispielhaft und in keiner Weise einschränkend ist und dass zahlreiche Änderungen und Varianten möglich sind, ohne den durch die beigefügten Ansprüche festgelegten Schutzbereich zu verlassen.
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Im Besonderen kann die Erfindung selbstverständlich unabhängig von der im Spindel-Mutter-System zur Bewegungsumsetzung eingesetzten Spindelart in Elektrozylinder implementiert werden.
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Darüber hinaus kann sie unabhängig von der Art der Verbindung zwischen dem Aktuator und dem verwendeten Elektromotor (axial oder umgelenkt) in Elektrozylinder implementiert werden.
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Zudem kann sie unabhängig vom Typ des verwendeten Elektromotors in Elektrozylinder implementiert werden.
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Diesbezüglich ist darauf hinzuweisen, dass es als Ersatz für Elektrozylinder mit bürstenlosem Motor möglich ist, einen erfindungsgemäßen Elektrozylinder mit einem geeignet gesteuerten Schrittmotor zu verwenden, falls es erforderlich ist, einen vorgegebenen Schub unabhängig von der physischen Position des Angriffspunktes oder vom theoretischen Maß der Bewegung aufrechtzuerhalten.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrozylinder (1) mit einer Vorrichtung zum Erfassen und zur Steuerung der an dem Zylinder angreifenden Last und/oder der von dem Zylinder ausgeübten Kraft. Die Erfindung kommt insbesondere (aber nicht ausschließlich) bei Anwendungen zur Anwendung, bei denen es vorteilhaft – wenn nicht gar notwendig – ist, über eine präzise Erfassung und demzufolge eine ebenso präzise Steuerung der angreifenden Last zu verfügen. Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zum Erfassen der Last (19) in den Elektrozylinder (1) in einen Raum integriert, der in seiner hinteren Kopfanordnung (7a) definiert wird und zwischen dem Aktuator des Zylinders und dem mit ihm verbundenen Elektromotor angeordnet ist. Dank dieser Maßnahme kann der Wert der am Zylinder angreifenden Last und/oder der vom Zylinder während seiner Bewegung ausgeübten Schubkraft genau in Echtzeit erfasst werden und ist gleichzeitig die Zunahme des Gesamtbauraums und -gewichts des Elektrozylinders infolge der Einführung der Vorrichtung zum Erfassen der Last (19) im Grunde vernachlässigbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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