DE3942811A1 - Handrad mit taktiler rastung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Handrad mit taktiler, durch ein Magnetsystem bewirkter Rastung.

Es ist bekannt (DE-PS 32 24 386), bei Handrädern, mittels deren elektrische Signale zur Positionsveränderung des Werkzeugträ­ gers einer Werkzeugmaschine erzeugt werden, anstelle einer mechanischen Rastung eine magnetische Rastung vorzusehen. Die beiden relativ zueinander bewegbaren Teile des Rastmechanismus sind hierbei berührungslos über wenigstens einen Luftspalt zusammenwirkende Komponenten des Magnetsystems, dessen magne­ tischer Fluß von einem Permanentmagneten erzeugt wird. Die Rastung des Handrades ist deshalb verschleißfrei und das bei einer Drehung zu überwindende Rastmoment ist durch die Ausbildung des Magnetsystems festgelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Handrad mit taktiler Rastung zu schafffen. Diese Aufgabe löst ein Handrad mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung das die taktile Rastung bewirkende Magnetsystem wenigstens eine Erregerspule aufweist und der diese durchfließende Erregerstrom abhängig ist von den durch die Handradbetätigung ausgelösten Vorgängen, kann das Rastmoment der Rastung verändert werden, und zwar in Abhängigkeit von den durch die Handradbetätigung ausgelösten Vorgängen. Beispielsweise kann das Rastmoment von einem Min­ destwert ausgehend in demjenigen Maße erhöht werden, wie die auf ein Werkzeug einwirkende Kraft infolge der durch die Drehung des Handrades bewirkten Zustellung ansteigt. Durch eine solche Rückmeldung erkennt die Bedienungsperson wie bei der Betäti­ gung eines Handrades, mittels dessen unmittelbar ein Werkzeug zugestellt wird, ab welcher Position das Werkzeug das Werkstück bearbeitet und wie stark das Werkzeug und das Werkstück durch den Bearbeitungsvorgang belastet werden. Die Werkzeugzustel­ lung kann deshalb ebenso feinfühlig ausgeführt werden wie bei einem Handrad, welches den Werkzeugträger unmittelbar bewegt. Man kann sogar Vibrationen am Werkzeug und/oder Werkstück er­ fassen und dementsprechend den Erregerstrom der Erregerspule der magnetischen Rastung modulieren, um entsprechend das Rast­ moment zu verändern. Die Bedienungsperson spürt auch dann diese Vibrationen bei der Betätigung des Handrades.

Die am Werkzeug oder Werkstück wirksamen Kräfte einschließlich der Vibrationen können in verschiedener Weise erfaßt werden. Man kann beispielsweise einen oder mehrere Sensoren am Werkzeug oder den das Werkzeug tragenden Bauteilen anordnen. Sofern die bei der Werkstückbearbeitung auftretenden Kräfte relativ groß sind, kann auch aufgrund des Stromes des Antriebsmotors der Werkzeugmaschine die Steuergröße für den Erregerstrom der magnetischen Rastung erzeugt werden.

Die beim Drehen des Handrades zu bildenden Signale können in bekannter Weise mittels eines optischen Sensors erzeugt werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann man aber auch die Erre­ gerspule als Impulsgeber verwenden, da in ihr bei einer Dreh­ bewegung eine Spannung erzeugt wird, aus welcher die Größe des Drehwinkels gewonnen werden kann.

Es ist zwar möglich, bei der erfindungsgemäßen Lösung ein Grund­ rastmoment mittels eines Permanentmagneten zu erzeugen. In der Regel wird es aber vorteilhafter, weil kostengünstiger sein, den gesamten Fluß mittels der Erregerspule zu erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erregerspule als eine konzentrisch zu der den Rotor des Magnetsystems tragen­ den Welle angeordnete Ringspule ausgebildet. Eine solche Ring­ spule läßt sich kostengünstig herstellen und ebenfalls kosten­ günstig montieren.

Sehr kostengünstig ist ferner für eine solche Ringspule ein Stator gemäß Anspruch 5. Ein derartiger Ringkörper aus Kunst­ stoff läßt sich sehr preiswert herstellen und automatisch mit den Polelementen bestücken. Dabei kann die Bestückung sich nur über einen Teil des Umfanges erstrecken, so daß gegebenen­ falls ausreichend Platz für die Unterbringung eines Impulsge­ bers, beispielsweise eines optischen Impulsgebers, zur Verfü­ gung steht.

Der Ringkörper, der eine große Anzahl von Polelementen tragen kann, was eine sehr präzise Rastung ergibt, bildet gemäß Anspruch 7 vorzugsweise einen Teil eines zum Rotor hin offenen Ring­ topfes.

Der Rotor ist vorzugsweise gemäß Anspruch 8 ausgebildet, da dann für den Rotor ein kostengünstiges Stanzteil verwendet werden kann. Die Form und Größe der Zähne des Rotors sind dabei zweckmäßigerweise entsprechend dem Querschnitt der Polelemente gewählt, die keinen segmentförmigen Querschnitt aufzuweisen brauchen, sondern einen rechteckförmigen Querschnitt haben können.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise in Längsrichtung geschnitten dar­ gestellte Ansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Ringkörper,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Rotor,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels.

Ein üblicherweise als Handrad bezeichneter, handbetätigter Geber, wie er beispielsweise zur Steuerung der Werkzeugzustel­ lung einer Werkzeugmaschine verwendet wird, weist ein mit einem Flansch 1′ versehenes Gehäuse 1 auf, in dem drehbar eine Welle 2 gelagert ist. Auf dem einen Endabschnitt dieser Welle 2 ist fest ein Drehknopf 3 angeordnet. Neben dem nicht dargestell­ ten Lager der Welle 2 ist auf der dem Drehknopf 3 abgewandten Seite in dem Gehäuse 1 konzentrisch zur Welle 2 ein aus einem ferromagnetischen Material bestehender Stator 4 des Magnetsys­ tems einer verschleißfreien Rastung angeordnet. Wie Fig. 1 zeigt, besteht der Stator 4 aus einem hohlzylindrischen Teil 4′ und einem ringscheibenförmigen Teil 4′′. Letzterer schließt sich an den hohlzylindrischen Teil 4′ im Bereich von dessen gegen den Drehknopf 3 weisenden Endabschnitt an.

An der äußeren Randzone der dem Drehknopf 3 abgewandten Stirn­ fläche des ringscheibenförmigen Teils 4′′ liegt ein Ringkör­ per 5 aus Kunststoff mit seiner einen Stirnseite an. Die axiale Länge dieses Ringkörpers 5 ist gleich dem Überstand des hohl­ zylindrischen Teiles 4′ über den ringscheibenförmigen Teil 4′′ gewählt. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Ringkörper 5 mit einer Vielzahl von im Querschnitt rechteckförmigen Durchgangskanä­ len 6 versehen, die alle parallel zu seiner Längsachse ver­ laufen. Außerdem liegt ihre Längsmittelebene in je einer Radial­ ebene des Ringkörpers 5. Alle Durchgangskanäle 6 haben die gleiche Form und die gleiche Größe. Außerdem sind alle Zwi­ schenräume zwischen den Durchgangskanälen 6 gleich groß.

Der Winkel, um den die Durchgangskanäle 6 gegeneinander versetzt sind, bestimmt den Winkel zwischen zwei Rastpositionen der Rastung. Man wird deshalb in der Regel diesen Winkel α we­ sentlich kleiner wählen als in Fig. 2 dargestellt, beispiels­ weise 3,6°, was hundert Rastpositionen für eine vollständige Drehung des Drehknopfes 3 ergibt.

In die Durchgangskanäle 6 ist je ein Polelement 7 eingesetzt, das den Durchgangskanal 6 vollständig ausfüllt und bündig mit den beiden Stirnflächen des Ringkörpers 5 abschließt. Der recht­ eckförmige Querschnitt der Polelemente 7, die aus einem ferro­ magnetischen Blech ausgestanzt sind, ist etwas größer gewählt als der Querschnitt der Durchgangskanäle 6, damit die Polele­ mente 7 in den Durchgangskanälen 6 klemmend festgehalten werden. Das Einsetzen der Polelemente 7 in die Durchgangskanäle 6 kann mittels einer Bestückungsmaschine erfolgen. Im Ausführungsbei­ spiel sind einige nebeneinanderliegende Durchgangskanäle 6 nicht mit Polelementen 7 bestückt, weil hier ein optischer Sensor 8 angeordnet ist.

Das eine Ende aller Polelemente 7 liegt, wie Fig. 1 zeigt, an der vom Drehknopf 3 wegweisenden Stirnseite des scheibenför­ migen Teiles 4′′ des Stators 4 an. Der Ringkörper 5 wird in dieser Position mittels nicht dargestellter Schrauben gehalten, welche an den Ringkörper 5 außen angeformte Augen 5′ durchdringen und in Gewindebohrungen des Gehäuses 1 eingreifen.

In dem durch den Stator 4 und den Ringkörper 5 gebildeten Ring­ topf ist eine ringförmige Erregerspule 9 eingelegt, welche den magnetischen Fluß für die magnetische Rastung erzeugt.

Der über die dem Drehknopf 3 abgewandte Stirnfläche des hohl­ zylindrischen Teiles 4′ des Stators 4 überstehende Endabschnitt der Welle 3, der im Ausführungsbeispiel einen reduzierten Durch­ messer hat, trägt einen ringscheibenförmigen Rotor 10. Die Schulter am Übergang der Welle 2 zu ihrem im Durchmesser ver­ kleinerten Endabschnitt ist so angeordnet, daß zwischen dem sich an ihr abstützenden Rotor 10 und den dem Rotor 10 zuge­ wandten Stirnflächen des hohlzylindrischen Teiles 4′ und des Ringkörpers 5 ein geringer Luftspalt 11 vorhanden ist, der in Fig. 1 übertrieben groß dargestellt ist. Der Rotor 10 ist drehfest und axial unverschiebbar auf der Welle 2 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel trägt hierzu eine fest mit der Welle 2 verbindbare Haltescheibe 12 bei, welche an der dem Drehknopf 3 abgewandten Seite des Rotors 10 anliegt.

Der Rotor 10 ist eine aus einem ferromagnetischen Blech ausge­ stanzte Scheibe, deren äußere Randzone eine der Zahl der Durch­ gangskanäle 6 entsprechende Anzahl von Zähnen 13 bildet. Diese Zähne 13, die auch hinsichtlich ihrer Größe und ihres Abstan­ des vom Zentrum mit den Durchgangskanälen 6 übereinstimmen, sind um den gleichen Winkel wie letztere gegeneinander ver­ setzt. In jeder Rastposition ist deshalb jeder der Zähne 13 auf einen der Durchgangskanäle 6 und, soweit diese mit den Polelementen 7 bestückt sind, auf eines der Polelemente 7 aus­ gerichtet.

Der Pfad, dem der von der Erregerspule 9 erzeugte magnetische Fluß folgt, verläuft in axialer Richtung durch den hohlzylin­ drischen Teil 4′ des Stators 4, in radialer Richtung durch den ringscheibenförmigen Teil 4′′ des Stators 4 sowie in axia­ ler Richtung durch die Polelemente 7. Zwischen dem hohlzylin­ drischen Teil 4′ und dem Rotor 10 wird der Luftspalt 11 über­ quert. Im Rotor 10 verläuft der magnetische Fluß in radialer Richtung. Eine nochmalige Überquerung des Luftspaltes 11 er­ folgt zwischen den Polelementen 7 und den Zähnen 13. Da hier der effektive Luftspalt am kleinsten ist, wenn die Zähne 13 auf die Polelemente 7 ausgerichtet sind, wird der Rotor 10 in jeder dieser Winkellagen magnetisch verrastet.

Die Höhe des Rastmomentes hängt von der Größe des die Erreger­ spule 9 durchfließenden Erregerstromes ab. Dieser Erregerstrom wird von einem Verstärker 14 gesteuert, dessen veränderbare Verstärkung von einem Sensor 15 gesteuert wird, der ein Steuer­ signal erzeugt, das die Kräfte repräsentiert, welche an dem mittels des Handrades verstellbaren Werkzeug 16 angreifen. Im Ausführungsbeispiel ist der Sensor 15 am Halter 17 des Werk­ zeuges 16 angeordnet und erfaßt sowohl die Vibrationen des Werkzeuges 16 als auch die Größe der auf dieses einwirkenden Kräfte.

Die Kennlinie des Verstärkers 14 ist im Ausführungsbeispiel so festgelegt, daß in einem Bereich der am Werkzeug 16 angrei­ fenden Kräfte zwischen Null und einem vorgegebenen Wert der Erregerstrom unabhängig von diesen Kräften einen Mindestwert hat, der zu einem Grundrastmoment führt. Wird dieser vorgege­ bene Wert der Kräfte am Werkzeug 16 überschritten, dann nimmt der Erregerstrom im Ausführungsbeispiel linear mit der Kraft zu. Selbstverständlich sind auch andere funktionale Zusammen­ hänge zwischen den am Werkzeug 16 angreifenden Kräften und dem Erregerstrom realisierbar.

In dem nicht mit Polelementen 7 bestückten Bereich des Ring­ körpers 5 ist der optische Sensor 8 vorgesehen, der in der Art einer Lichtschranke die Zähne 13 des Rotors 10 abtastet und ein Signal erzeugt, das nicht nur eine Information über den Drehwinkel, sondern auch die Drehrichtung enthält. Dieses Signal wird der Steuerung einer Antriebsvorrichtung 18 für den Halter 17 zugeführt.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (10)

1. Handrad mit taktiler, durch ein Magnetsystem bewirkter Rastung, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (4, 7, 9, 10) wenigstens eine Erregerspule (9) aufweist und der sie durch­ fließende Erregerstrom abhängig ist von den durch die Hand­ radbetätigung ausgelösten Vorgängen.

2. Handrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen Sensor (15) für die durch die Vorgänge ausgelösten Kräfte und/oder Momente und/oder Schwingungen, mit dessen Signalen der Erregerstrom gesteuert oder geregelt wird.

3. Handrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (9) als Geber für das die Drehbewegung repräsentierende Signal vorgesehen ist.

4. Handrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Erregerspule (9) als eine konzentrisch zu der den Rotor (10) des Magnetsystems tragenden Welle (3) angeordnete Ringspule ausgebildet ist.

5. Handrad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Erregerspule (9) tragende Stator des Magnetsystems einen die Erregerspule (9) konzentrisch umfassenden Ringkörper (5) aus Kunststoff aufweist, der mit zu seinen Stirnflächen hin offenen Aufnahmen (6) für ferromagnetische Polelemente (7) versehen ist, die mit gleichen Zwischenräumen in Um­ fangsrichtung nebeneinander angeordnet sind.

6. Handrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkörper (5) einen von Polelementen (7) freien Abschnitt aufweist.

7. Handrad nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Polelemente (7) am Stator (4) anliegt und daß der Stator (4) zusammen mit dem Ringkörper (5) einen zum Rotor (10) hin offenen und von diesem durch einen Luft­ spalt (11) getrennten Ringtopf bildet.

8. Handrad nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rotor (10) die Form einer Scheibe hat, deren auf den Ringkörper (5) ausgerichtete äußere Randzone radial verlaufende Zähne (13) bildet, die in Umfangsrich­ tung um den gleichen Winkel gegeneinander versetzt sind wie die Polelemente (7).

9. Handrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer Radialebene liegende Querschnitt der Polelemente (7) und der Zähne (13) rechteckig ist.

10. Handrad nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der in einer radialen Ebene liegende Querschnitt der Polele­ mente (7) die gleiche Größe wie der entsprechende Quer­ schnitt der Zähne (13) hat.