DE4222841C1 - Kapazitiv/konduktiver Positionsaufnehmer vorzugsweise für Werkstückspanneinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiv/konduktiven Positionsauf­ nehmer vorzugsweise für Werkstückspannein­ richtungen, insbesondere für automatische Fertigungseinrichtungen der metallverarbeitenden Industrie.

Bekannt ist eine technische Lösung gemäß der Beschreibung in einem Prospekt der Firma BAEWERT GmbH (Karl-Schiefer-Str. 60, O-9612 Meerane) . Hierbei wird ein Positionsaufnehmer beschrieben, in dessen Positionierfläche eine Meß- bzw. Positionierelektrode integriert ist, die zugleich den Träger einer Elektronikbaugruppe aufnimmt.

Diese Lösung hat den Nachteil, daß mechanische und thermische Spannungen an den mit Gießharz vergossenen Trennfugen zwischen der Positionierelektrode und dem Aufnehmergehäuse zu Rißbildungen führen können. Durch diese Risse können fluidische Hilfsstoffe eindringen und die erforderliche sichere elektrische Trennung zwischen Positionierelektrode und Aufnehmergehäuse derart stören, daß infolge elektrischen Kontaktes die Funktionssicherheit des Positionsaufnehmers nicht mehr gewährleistet ist.

In DE 37 42 154 A1 und DE 34 31 523 C2 werden Positionsauf­ nehmer beschrieben, die zum Schutz vor Verschmutzung des Meßkopfes mit einem Faltenbalg bzw. einer Gummimanschette versehen sind.

Alle o. g. Lösungen haben außerdem den Nachteil, daß Störungen beim Positio­ nieren bzw. Bestimmen der Lage des Werkstückes, die infolge vor­ handener Verunreinigungen, z. B. Metallspäne, an der Positionier­ fläche zwischen Positionierelektrode und Werkstück auftreten können, nicht erkannt werden und damit eine fehlerhafte Positio­ nierung des Werkstückes und unter Umständen auch eine Zerstörung des Positionsaufnehmers zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiv/konduk­ tiven Positionsaufnehmer vorzugsweise für Vorrichtungen bzw. Werkstückspanneinrichtungen zu schaffen, mit dem eine funktions­ sichere Arbeitsweise z. B. beim Einsatz fluidischer Hilfsmittel gewährleistet wird und bei dem Verunreinigungen der Positio­ nierelektrode, insbesondere durch Metallspäne beim Positionieren sofort erkannt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem kapazitiv/konduktiven Positionsaufnehmer vorzugsweise für Werkstückspanneinrichtungen mit den Merkmalen des 1. Patentanspruches gelöst. Dabei ist im Positionsaufnehmer in die Positionierfläche eine Positionierelektrode integriert, die zu­ gleich Träger der Elektronikbaugruppe ist. Die Positionierelektrode ist über einen Isolierkörper mechanisch fest jedoch elektrisch getrennt mit einem Kopfeinsatz verbunden. Dieser ist über einen Faltenbalg hermetisch dicht derart mit einem Basiseinsatz verbunden, daß eine axiale Beweglichkeit der aus Positionierelektrode, Isolierkörper, Kopfeinsatz, einer Distanzhülse, einer ersten Elektronikbaugruppe und einer Gegen­ elektrode bestehenden Baugruppe gewährleistet wird.

Im Störfall tritt eine Krafteinwirkung auf die die Positionier­ fläche mit ausbildenden Elemente Positionierelektrode, Isolier­ körper und Kopfeinsatz auf, wobei eines oder mehrere dieser Elemente zugleich davon betroffen sein können.

Diese Krafteinwirkung bewirkt infolge der axialen Beweglichkeit der belasteten Baugruppe eine Abstandsänderung der Gegenelektrode zu einer Überwachungselektrode.

Im Gehäuse wird, vorzugsweise in seiner Symmetrieachse, ein Ab­ gleichkondensator angeordnet.

Der Isolierkörper als Bestandteil der Positionierfläche des Posi­ tionsaufnehmers ist vorzugsweise konzentrisch zur Symmetrieachse des Gehäuses angeordnet.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.

Die Zeichnung zeigt eine Schnittdarstellung des kapazitiv/konduk­ tiven Positionsaufnehmers mit Störungsüberwachung.

Eine Positionierelektrode 6 ist über einen Isolierkörper 9 mit einem Kopfeinsatz 15 mechanisch fest, jedoch elektrisch getrennt verbunden. Die Positionierelektrode 6 trägt rückseitig eine erste Elektronikbaugruppe 13, die über einen Träger 13a befestigt ist, sowie über eine Distanzhülse 4 eine gegenüber der Positionier­ elektrode 6 elektrisch isolierte Gegenelektrode 7. Die vorgenann­ ten Elemente bilden zusammen eine mechanisch miteinander verbun­ dene Baugruppe, die über einen Faltenbalg 8 axial beweglich, zu­ gleich verdrehsicher und hermetisch dicht mit einem Basiseinsatz 16 verbunden ist. Dieser Basiseinsatz 16 trägt außerdem über eine Distanzbuchse 5 eine Überwachungselektrode 10 mit einer rücksei­ tig montierten zweiten Elektronikbaugruppe 14.

Der Basiseinsatz 16 mit den daran befindlichen Elementen und die über den Faltenbalg 8 verbundene axial bewegliche Baugruppe werden gemeinsam in ein Gehäuse 1 eingesetzt, welches in seiner Positionierfläche durch einen Gehäuseeinsatz 11 abgeschlossen wird. Der Gehäuseeinsatz 11 gewährleistet zugleich die axiale Wegbegrenzung für die bewegliche Baugruppe, die durch ein Feder­ element 12 einer Rückstellkraft ausgesetzt ist. In Gegenrichtung zu dieser Rückstellkraft begrenzt das Dickenmaß des Feder­ elementes 12 den axialen Stellweg s.

Dieser axiale Stellweg s ermöglicht eine Abstandsänderung zwi­ schen der Überwachungselektrode 10 und der Gegenelektrode 7. Der axiale Stellweg s wird kleiner gewählt, als der Grundabstand a zwischen der Überwachungselektrode 10 und der Gegenelektrode 7.

Das Gehäuse 1 ist mit einer Kabeldurchführung 17 für die Strom­ versorgung und die Weiterleitung der Meßsignale des Positionsauf­ nehmers versehen.

Im Gehäuse 1 ist weiterhin ein Abgleichkondensator 2 unterge­ bracht, dessen Befestigungsbohrung durch eine Verschlußschraube 3 nach außen abgedichtet wird.

Der vorstehend beschriebene kapazitiv/konduktive Positionsauf­ nehmer kann in beliebiger Raumlage in Vorrichtungen bzw. Werk­ stückspanneinrichtungen zur definierten Fixierung bestimmter Freiheitsgrade eines - im allgemeinen elektrisch leitenden - Werkstückes angebracht werden.

Nach Montage der Positionierelektrode 6 und des Isolierkörpers 9 mit Kopfeinsatz 15 im Gehäuse 1 mit Gehäuseeinsatz 11 wird deren gemeinsame nach außen gerichtete Stirnfläche so bearbeitet, daß eine zur Gehäuseauflagefläche planparallele ebene Fläche ent­ steht, die als Bestimm- bzw. Positionierfläche PF des kapazitiv/ konduktiven Positionsaufnehmers dient und für ein Werkstück eine Anlagefläche darstellt.

Wird ein Werkstück in eine Vorrichtung bzw. Werkstückspannein­ richtung eingebracht, die mit einem oder mehreren erfindungsge­ mäßen kapazitiv/konduktiven Positionsaufnehmern mit Störungsüber­ wachung ausgerüstet ist, so bildet sich an der gemeinsamen Be­ stimm- bzw. Positionierfläche des Werkstückes mit der Anlageflä­ che des Positionsaufnehmers ein mehr oder weniger ausgeprägter elektrischer Kontakt aus, den das Werkstück zwischen dem Gehäuse 1 mit Gehäuseeinsatz 11 und der Positionierelektrode 6 herstellt. Die Intensität dieser elektrischen Kontaktgabe wird wesentlich durch die Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes und dessen Form- und Lagegenauigkeit bestimmt.

Im allgemeinen Fall wird, insbesondere bei vorhandenen Ober­ flächen-, Form- oder Lagefehlern des Werkstückes ein Spalt an der gemeinsamen Anlagefläche sich ausbilden - der auch mit flui­ dischen Hilfsstoffen ausgefüllt sein kann - wodurch ein inniger elektrischer Kontakt (galvanischer Kontakt) verhindert wird. In diesem Fall wirkt die Anlagefläche des metallisch leitenden Werk­ stückes als kapazitive Gegenelektrode zur Positionierelektrode 6, so daß die interne erste Elektronikbaugruppe 13 ein für den vor­ liegenden Spalt äquivalentes Meßsignal bereitstellt. Die Größe dieses Meßsignales liegt zwischen einem definierten elektrischen Nullpunkt und einem Maximalwert, der bei galvanischem Kontakt der Positionierelektrode 6 mit dem Werkstück und gleichzeitigen Kontakt des Werkstückes mit dem Gehäuse 1 mit Gehäuseeinsatz 11 erreicht wird. Bei galvanischem Kontakt des Werkstückes mit der Positionierfläche PF des Positionsaufnehmers wird dieser Maximal­ wert des Meßsignales erreicht und damit die konduktive Komponente des angewendeten Meßprinzipes wirksam.

Andernfalls wird bei auftretendem Spalt an der Werkstückanlage zur Positionierfläche die kapazitive Komponente des angewendeten Meßprinzipes wirksam.

Auf diese beschriebene Weise kann eine Werkstückanlage mit Hilfe des kapazitiv/konduktiven Positionsaufnehmers differenziert nach den konkret vorherrschenden Anlagebedingungen qualitativ und quantitativ bewertet werden.

Dabei repräsentiert die konduktive Erfassung des galvanischen Kontaktes zwischen Werkstück und Positionierfläche PF des Posi­ tionsaufnehmers die Soll-Lage (Sollposition) des Werkstückes. In allen anderen Fällen entspricht die kapazitive Erfassung eines auftretenden Spaltes zwischen Werkstück und Positionierfläche des Positionsaufnehmers einer Lageabweichung des Werkstückes von seiner Sollposition. Auf diese beschriebene Weise kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Positionsaufnehmers die Istposition eines Werkstückes in der Vorrichtung identifiziert werden.

Die vorstehend beschriebene normale Funktionsweise wird nicht mehr gewährleistet, wenn elektrisch leitende Fremdkörper, z. B. Metallspäne, die Positionierelektrode 6 in der Positionierfläche verunreinigen. In diesem Fall erzeugen die Metallspäne den galva­ nischen Kontakt zum Werkstück, ohne daß die geforderte exakte Position des Werkstückes eingenommen wurde. Das nachfolgende Auf­ bringen der Spannkraft führt mit großer Wahrscheinlichkeit zu einer Zerstörung des Positionsaufnehmers.

Um diesen Fall auszuschließen, muß ein Alarmsignal gewonnen werden, welches das weitere Aufbringen der Spannkraft verhindert. Dieses Alarmsignal wird erzeugt, wenn vom Werkstück eine Kraft­ einwirkung auf Fremdkörper, z. B. Metallspäne, erfolgt und diese über die Positionierelektrode 6 bzw. über den Isolierkörper 9 und/oder den Kopfeinsatz 15 eine Axialbewegung der gesamten be­ weglichen Baugruppe erzeugt. Diese Axialbewegung bewirkt eine Ab­ standsänderung zwischen der Überwachungselektrode 10 und der Ge­ genelektrode 7, die mittels der zweiten Elektronikbaugruppe 14 in ein elektrisches Alarmsignal umgewandelt wird. Vorzugsweise er­ folgt diese Signalwandlung nach dem kapazitiven Wirkprinzip.

Dieses Alarmsignal wird dem eigentlichen Meßsignal aus der ersten Elektronikbaugruppe 13 überlagert und hat diesem gegenüber Priorität.

Mit dieser erfindungsgemäßen Lösung können sowohl elektrisch leitende, als auch nichtleitende Fremdkörper, die die Positio­ nierfläche verunreinigen, als Störung erkannt werden.

Das Meß- bzw. Alarmsignal kann von beiden Elektronikbaugruppen 13; 14 sowohl als analoger Spannungswert, als auch als tastverhältnismoduliertes Impulssignal bereitgestellt werden. Der elektrische Nullpunkt des Meßsignales der ersten Elektronikbau­ gruppe 13 kann durch den Abgleichkondensator 2 eingestellt bzw. korrigiert werden.

Der kapazitiv/konduktive Positionsaufnehmer mit Störungsüber­ wachung ermöglicht für höchste Genauigkeitsansprüche (Mikrometer­ bereich) die Überwachung von Positioniervorgängen in Vorrich­ tungen, Werkstückspanneinrichtungen und anderen Einrichtungen zum Werkstückhandling. Es ist möglich, das Positionieren in eine vor­ gegebene Werkstückposition oder deren Beibehaltung zu kontrollie­ ren/überwachen.

Darüber hinaus werden störende Einflüsse auf den Positioniervor­ gang, wie z. B. Späne und ähnliche Verunreinigungen, durch ein intern ausgelöstes Alarmsignal so rechtzeitig erkannt, daß die Möglichkeit einer automatischen Prozeßbeeinflussung besteht. So kann z. B. das Aufbringen der Spannkraft verhindert und/oder die Maschine stillgesetzt werden. Ein besonderer Vorzug der erfin­ dungsgemäßen Lösung ist dabei, daß eine Zerstörung des Positions­ aufnehmers durch die genannten Fehlereinflüsse verhindert wird. Der Positionsaufnehmer kann zugleich als vorrichtungstypischer Positionierbolzen (Bestimmbolzen) ausgebildet werden. Bei Einsatz mehrerer Positionsaufnehmer in einer Ebene können diese nach der Montage in der Vorrichtung zur Schaffung einer exakten Bestimm- bzw. Positionierfläche gemeinsam überschliffen werden.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es möglich, die automa­ tische Steuerung/Überwachung von Vorrichtungen bzw. Werkstück­ spanneinrichtungen in die automatische Steuerung/Überwachung des gesamten Fertigungsprozesses über die Fertigungseinrichtung zu integrieren und damit CIM-Strukturen zu realisieren.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Gehäuse
 2 Abgleichkondensator
 3 Verschlußschraube
 4 Distanzhülse
 5 Distanzbuchse
 6 Positionierelektrode
 7 Gegenelektrode
 8 Faltenbalg
 9 Isolierkörper
10 Überwachungselektrode
11 Gehäuseeinsatz
12 Federelement
13 erste Elektronikbaugruppe
13a Träger der ersten Elektronikbaugruppe
14 zweite Elektronikbaugruppe
15 Kopfeinsatz
16 Basiseinsatz
17 Kabeldurchführung
a Grundabstand zwischen Gegenelektrode (7) und Überwachungs­ elektrode (10)
s Stellweg
PF Positionierfläche

Claims (5)

1. Kapazitiv/konduktiver Positionsaufnehmer, vorzugsweise für Werkstückspanneinrichtungen, bestehend aus einer in einem Gehäuse (1) angeordneten Positionierelektrode (6), die an ihrer einer Positionierfläche (PF) gegenüberliegenden Seite eine Elektronikbaugruppe (13) trägt, wobei die Positionierelektrode (6) über einen Isolierkörper (9) von den Baugruppen des Gehäuses elek­ trisch getrennt ist, mit den Merkmalen, daß der die Posi­ tionierelektrode (6) ringförmig mechanisch fest umschließende Isolierkörper (9) in einem Kopfeinsatz (15) angeordnet ist, der über einen Faltenbalg (8) hermetisch dicht und verdrehsicher, jedoch axial beweglich mit einem im Gehäuse (1) fest ange­ ordneten Basiseinsatz (16) verbunden ist, wodurch die axiale Beweglichkeit der Positionierelektrode (6) gewährleistet wird, daß weiterhin im hermetisch abgedichteten Innenraum von Posi­ tionierelektrode (6), Kopfeinsatz (15), Faltenbalg (8) und Basiseinsatz (16) ein zusätzliches Elektrodenpaar in Form einer Gegenelektrode (7) und einer Überwachungselektrode (10) angeordnet ist, wobei die Gegenelektrode (7) über eine elek­ trisch isolierende Distanzhülse (4) und einen Träger der ersten Elektronikbaugruppe (13 a) an der Innenfläche der Posi­ tionierelektrode (6) befestigt ist, während die Überwachungs­ elektrode (10) im Basiseinsatz (16) fest montiert ist, so daß im Störfall bei Krafteinwirkung auf die bewegliche Positionierelektrode (6), den beweglichen Isolierkörper (9) oder den beweglichen Kopfeinsatz (15) der Faltenbalg (8) zusammengedrückt wird und eine Verringerung des Abstandes (a) zwischen Gegenelektrode (7) und Überwachungselektrode (10) erfolgt.

2. Kapazitiv/konduktiver Positionsaufnehmer nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung der beweglichen Elemente in die Ausgangslage zwischen Gehäuse (1) und Kopf­ einsatz (15) ein Federelement (12) angeordnet ist.

3. Kapazitiv/konduktiver Positionsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (9) aus einem hydrophob wirkenden Material besteht.

4. Kapazitiv/konduktiver Positionsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper (9) in der Positionierfläche (PF) des Positionsaufnehmers konzentrisch zur Symmetrieachse des Gehäuses (1) angeordnet ist.

5. Kapazitiv/konduktiver Positionsaufnehmer nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) ein Ab­ gleichkondensator (2) in der Symmetrieachse des Gehäuses (1) angeordnet ist.