WO2007090710A1 - Motor mit rotatorischem und linearem antrieb mit integrierter axialkraftmessung - Google Patents

Motor mit rotatorischem und linearem antrieb mit integrierter axialkraftmessung Download PDF

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WO2007090710A1
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Definitions

  • the invention relates to a motor with a rotary drive, which can put an output shaft in a rotational movement, and with a linear drive, which can put the output shaft in a translational movement, wherein the linear drive offset by means of a stator in linear motion runners comprises, which exerts an axial force on the output shaft via a motor element connecting the rotor with the output shaft.
  • Such motors in which both a rotary, and a linear drive is provided, are used for example for injection and metering units in plastic injection molding machines.
  • a infor- mation about the needs of the linear drive to the Abtriebswel ⁇ le exerted axial force are required.
  • the motor thus comprises a device for obtaining a measurement signal dependent on the deformation of the motor element and a device for assigning a measured value for the axial force to the acquired measurement signal.
  • the deformation is measured and this measurement is evaluated.
  • the evaluation can take place via a conventional computing module. Due to a previous calibration, the assignment of the axial force to the measured deformation can take place.
  • a value for the axial force can be output, for example, from the device for assigning via a corresponding display device or can be supplied to a control unit electronically.
  • Cooling motors with rotary and linear drive are available in several designs.
  • the type Favor ⁇ gene in which the above motor element is a cup wheel.
  • the cup wheel is connected at its center to the output shaft.
  • the runner of the linear drive starts at the edge of the pot disc. Accordingly, it is usually cylin ⁇ derförmig.
  • the means for obtaining comprises at least the Messsig ⁇ Nals a strain gauge.
  • Strain gauges are electrical bodies with a resistance that can change due to stretching or compression of the body. Is the strain gauges fixedly connected to the element to be measured, the deformation of the strain gauge ⁇ forms the deformation of the element to be measured according to, and this deformation is determined using a solution horrsmes ⁇ . Usually, with the help of an external voltage, a current is passed through the strain gauge and tapped at a suitable location a voltage which represents the actual measurement signal.
  • strain gauges are particularly space-saving. They are simply built and easy to handle.
  • the strain gauges are arranged in pairs on each of a front side of the motor ⁇ elements and on a back. In the case of the cup wheel, it is possible that the points on the front and on the back are directly associated with one another such that one strain gauge is effectively arranged "behind" the other strain gauge. In other words, you would see only strain gauges with the same size strain gauge top view of a transparent motor element, because the other is exactly in the line of sight behind it.
  • strain gauge pairs which are electrically connected to form a bridge arrangement.
  • the two strain gauges of the pairs are each arranged in different parallel branches of the bridge. Measurement signal is then the bridge voltage, i. the voltage dropping between the parallel branches in the middle of the bridge.
  • the bridge arrangement represents a particularly simple arrangement for the evaluation of four strain gauges, whereby two different locations on the motor element / the cup wheel can be detected, and this on both front and back.
  • FIG. 1 shows schematically a cross section through a motor, in which the invention can be realized
  • FIG 2A shows a plan view of the to the motor of FIG 1 zugegehüige cup wheel with two strain gauges
  • FIG 2B shows a side view of the cup wheel with the shaft for schematically the axial force union to illustrate ⁇
  • 2C schematically shows a rear view of the cup wheel with two further strain gauges
  • FIGS. 2A and 2C shows the electrical interconnection of the strain gauges from FIGS. 2A and 2C, in which the
  • Measuring signal can be obtained
  • a designated as a whole with 10 motor has a housing 12 in which both a rotary drive and a linear drive are arranged.
  • Each drive comprises Stato ⁇ ren and runners.
  • the rotary drive comprises a stator 14 and a rotor 16 rotating in the stator 14.
  • the rotor 16 is connected to a shaft 18 which rotates in a bearing 20.
  • the shaft 18 is tee t ⁇ 22 is a cup wheel.
  • an output shaft 24 is in turn attached to the pot washer 22. With the Dre ⁇ increase of the shaft 18 thus also the output shaft 24 rotates.
  • the output shaft 24 is mounted in a bearing 26.
  • the La ⁇ ger 20 and 26 allow both a rotational movement of the respective shafts 18 and 24, as well as a translational movement of the same.
  • a translatory movement is initiated via a linear drive.
  • To this includes a stator 28 and a rotor 30.
  • the rotor 30 is connected to the pot washer 22 and of cylindrical shape.
  • the cup wheel 22 forms the bottom of a pot, so to speak, and the rotor 30 whose walls.
  • the engine 10 is a typical engine used in an injector and metering unit in a plastic injection molding machine.
  • the injection pressure for the plasticized plastic should be regulated.
  • information about the axially acting force (axial force) on the output shaft 24 is required.
  • it requires a quantified information about the cause of the stator 28 and the rotor 30 caused, a translational ⁇ towitz movement causing force.
  • the system for determining such a quantified size based on the measurement of the deformation of the cup wheel 22. Since the rotor 30 engages the outer edge of the pot washer 22 and the output shaft 24 is centrally attached to the cup 22, there are leverage and da ⁇ with coherent to deformations of the cup wheel 22 when axial forces act. The deformations can now be brought into connection with the axial force. A measurement of the deformations thus makes it possible to give a quantified statement about the axial force.
  • the deformation is measured as follows:
  • strain gauge On the front of the side of the cup wheel 22 two radially about the pot ⁇ disc 22 extending strain gauge, namely strain gauges DMSL and strain gauges DMS2 provided.
  • strain gauges DMS 3 On the back of the cup disk 22 to ⁇ same places are a strain gauges DMS 3 and a strain gauge provided DMS4 closely.
  • the strain gauge DMS4 is to a certain extent "behind” the strain gauge DMSl and the strain gauge DMS3 is to a certain extent "behind” the strain gauge DMS2.
  • the disk that of the idle state, as shown in FIG 2B, from the side is in a state ver ⁇ , in which it is arched.
  • the center of the disc moves in one direction and the edge of the disc completely in an opposite direction.
  • the strain gauges DMSL and DMS2 example, however, led compresses while the strain gauges are stretched and DMS 3 DMS4 ge ⁇ .
  • Strain gages change their resistance during compression or extension.
  • the attachment of the strain gauges on the front and rear sides illustrated in FIGS. 2A and 2C enables a bridge circuit as shown in FIG.
  • FIG. Here are the respective corresponding points of the cup wheel 22 mounted strain gauges arranged in parallel branches of the bridge, ie DMSL on the one hand and DMS4 on the other hand or DMS3 on the one hand and DMS2 on ⁇ the other hand.
  • the strips each located on the same side is arranged in the other parallel branch in the lower part, so DMS2 located on the moving ⁇ chen side as DMSL (upper left arm) and is arranged in the lower part of the bridge circuit in the right branch, while DMS3 is on the same side as DMS4 and is located on the left branch of the bridge circuit in the lower part, while DMS4 is on the upper right branch.
  • An external voltage Ue is now applied to the bridge circuit shown.
  • the interconnection of the strain gauges described above ⁇ is such that, for a deformation of the cup washer 22, a bridge voltage V decreases, which is different from zero.
  • the relationship may differ from this linear relationship.
  • a calibration is provided. With force gauges, the axial force can be measured simultaneously for deformation and thus the measured electrical voltage can be calibrated against the force.
  • a linear Bezie ⁇ hung as shown in FIG 4 represented the formula or a cali- riertabelle can be stored in a computing unit (not shown), which is also supplied with the measuring signal.
  • the computing module can assign a measured value for the axial force to the acquired measurement signal and show it to the control system or display it on a display if necessary.
  • the invention allows a very precise determination of a measured value for the axial force.
  • the case is used with ⁇ tel are not particularly expensive.
  • the strain gauges DMS1 to DMS4 can be attached to the cup disc 22 without being significantly disturbed.
  • the illustrated in Figure 3 veran ⁇ illustrated bridge circuit is simple and inexpensive.

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Abstract

An einem Motor mit einem rotatorischem und mit einem linearen Antrieb wird die von dem linearen Antrieb hervorgerufene Antriebskraft dadurch quantifiziert erfassbar, dass eine Verformung eines Motorelements (Topfscheibe 22), welches einen Läufer (30) des linearen Antriebs mit einer Abtriebswelle (24) verbindet, gemessen wird. Ein entsprechendes Signal kann dann einem Messwert für die axiale Kraft zugeordnet werden, entweder aufgrund einer bekannten linearen Beziehung oder aufgrund einer Kalibrierung. Für die Vermessung der Verformung werden Dehnungsmessstreifen (DMSl bis DMS4) eingesetzt.

Description

Motor mit rotatorischem und linearem Antrieb mit integrierter Axialkraftmessung
Die Erfindung betrifft einen Motor mit einem rotatorischem Antrieb, der eine Abtriebswelle in eine rotatorische Bewegung versetzen kann, und mit einem linearen Antrieb, der die Abtriebswelle in eine translatorische Bewegung versetzen kann, wobei der lineare Antrieb einen mit Hilfe eines Stators in lineare Bewegung versetzten Läufer umfasst, der über ein den Läufer mit der Abtriebswelle verbindendes Motorelement eine Axialkraft auf die Abtriebswelle ausübt.
Derartige Motoren, in denen sowohl ein rotatorischer, als auch ein linearer Antrieb vorgesehen ist, werden beispielsweise für Einspritzer- und Dosiereinheiten in Kunststoffspritzmaschinen eingesetzt. Um den Einspritzdruck für den plastifizierten Kunststoff regeln zu können, wird eine Infor- mation über die von dem linearen Antrieb auf die Abtriebswel¬ le ausgeübte Axialkraft benötigt.
Bisher verfolgte man hierbei den Ansatz, die Axialkraft an¬ hand des Statorenstroms zu ermitteln, der für sie ursächlich ist. Es wurde somit der Motorstrom gemessen und ausgewertet. Mit dieser Methode lässt sich die Axialkraft jedoch nur unge¬ nau, insbesondere mit Fehlern, bestimmen. Die Bestimmung ist im Fall hoher Genauigkeitsanforderungen bezüglich der Axialkraftmessung unzureichend.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Motor der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine genauere Aussage über die Axialkraft gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Motor mit den Eigenschaften gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst der Motor somit eine Einrichtung zum Gewinnen eines von der Verformung des Motorelements abhängigen Messsignals sowie eine Einrichtung zum Zuordnen eines Messwerts für die Axialkraft zu dem gewonnen Messsignal.
Mit anderen Worten wird die Verformung gemessen, und diese Messung wird ausgewertet. Die Auswertung kann über einen herkömmlichen Rechenbaustein erfolgen. Aufgrund einer vorherigen Kalibrierung kann die Zuordnung der Axialkraft zu der gemes- senen Verformung erfolgen. Ein Wert für die Axialkraft kann beispielsweise von der Einrichtung zum Zuordnen über eine entsprechende Anzeigevorrichtung ausgegeben werden oder e- lektronisch einer Regelungseinheit zugeführt werden.
Kühlmotoren mit rotatorischem und linearem Antrieb gibt es in mehreren Bauarten. Üblicherweise wird man die Bauart bevorzu¬ gen, bei der das obige Motorelement eine TopfScheibe ist. Die Topfscheibe ist in ihrem Mittelpunkt mit der Abtriebswelle verbunden. Am Rand der TopfScheibe setzt der Läufer des line- aren Antriebs an. Dementsprechend ist er üblicherweise zylin¬ derförmig.
Bevorzugt umfasst die Einrichtung zum Gewinnen des Messsig¬ nals zumindest einen Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstrei- fen sind elektrische Körper mit einem Widerstand, der sich aufgrund einer Dehnung oder Stauchung des Körpers ändern kann. Ist der Dehnungsmessstreifen fest mit dem zu vermessenden Element verbunden, bildet die Verformung des Dehnungs¬ messstreifens die Verformung des zu vermessenden Elements nach, und diese Verformung ist anhand einer Widerstandsmes¬ sung ermittelbar. Üblicherweise wird mit Hilfe einer externen Spannung ein Strom über den Dehnungsmessstreifen geleitet und an geeigneter Stelle eine Spannung abgegriffen, die das eigentliche Messsignal darstellt.
Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen hat den Vorteil, dass Dehnungsmessstreifen besonders platzsparend sind. Sie sind einfach gebaut und leicht handhabbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dehnungsmessstreifen paarweise jeweils auf einer Vorderseite des Motor¬ elements und auf einer Rückseite angeordnet. Im Falle der Topfscheibe ist es möglich, dass die Stellen auf der Vorder- seite und auf der Rückseite direkt einander zugeordnet sind dergestalt, dass der eine Dehnungsmessstreifen gewissermaßen "hinter" dem anderen Dehnungsmessstreifen angeordnet ist. Mit anderen Worten würde man bei gleich großen Dehnungsmessstreifen bei Draufsicht auf ein durchsichtiges Motorelement nur einen Dehnungsmessstreifen sehen, weil der andere sich genau in der Blicklinie dahinter befindet.
Bevorzugt verwendet man zwei derartige Dehnungsmessstreifen- paare, die elektrisch zu einer Brückenanordnung verschaltet sind. Hierbei sind die beiden Dehnungsmessstreifen der Paare jeweils in verschiedenen Parallelzweigen der Brücke angeordnet. Messsignal ist dann die Brückenspannung, d.h. die zwischen den Parallelzweigen in der Mitte der Brücke abfallende Spannung.
Die Brückenanordnung stellt eine besonders einfache Anordnung zur Auswertung von gleich vier Dehnungsmessstreifen dar, wodurch zwei verschiedene Stellen auf dem Motorelement/der Topfscheibe erfasst werden können, und dies jeweils auf Vor- der- und Rückseite.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
FIG 1 schematisch einen Querschnitt durch einen Motor zeigt, bei dem die Erfindung verwirklicht werden kann,
FIG 2A eine Draufsicht auf die zu dem Motor aus FIG 1 zuge¬ hörige Topfscheibe mit zwei Dehnungsmessstreifen zeigt,
FIG 2B eine Seitenansicht der Topfscheibe mit der Welle zeigt, um schematisch die axiale Kraft zu veranschau¬ lichen, und FIG 2C schematisch eine Hinteransicht der Topfscheibe mit zwei weiteren Dehnungsmessstreifen zeigt,
FIG 3 die elektrische Verschaltung der Dehnungsmessstreifen aus den FIG 2A und FIG 2C darstellt, bei der das
Messsignal gewonnen werden kann,
FIG 4 einen Graphen zeigt, der den Zusammenhang zwischen Brückenspannung und axialer Kraft veranschaulicht.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Motor weist ein Gehäuse 12 auf, in dem sowohl ein rotatorischer Antrieb als auch ein linearer Antrieb angeordnet sind. Jeder Antrieb umfasst Stato¬ ren und Läufer. Der rotatorische Antrieb umfasst einen Stator 14 und einen sich in dem Stator 14 drehenden Läufer 16. Der Läufer 16 ist mit einer Welle 18 verbunden, die sich in einem Lager 20 dreht. Die Welle 18 ist an eine TopfScheibe 22 ange¬ stückt. In Verlängerung der Welle 18 ist wiederum an die TopfScheibe 22 eine Abtriebswelle 24 angestückt. Mit der Dre¬ hung der Welle 18 dreht sich somit auch die Abtriebswelle 24. Die Abtriebswelle 24 ist in einem Lager 26 gelagert. Die La¬ ger 20 und 26 erlauben sowohl eine Drehbewegung der jeweiligen Wellen 18 bzw. 24, als auch eine translatorische Bewegung derselben. Eine translatorische Bewegung wird über einen linearen Antrieb eingeleitet. Zu diesem gehört ein Stator 28 und ein Läufer 30. Der Läufer 30 ist mit der TopfScheibe 22 verbunden und von zylindrischer Form. Die Topfscheibe 22 bildet gewissermaßen den Boden eines Topfes, und der Läufer 30 dessen Wände.
Der Motor 10 ist ein typischer Motor, wie er in einer Einspritzer- und Dosiereinheit in einer Kunststoffspritzmaschine Verwendung findet. Es soll nun hierbei der Einspritzdruck für den plastifizierten Kunststoff geregelt werden. Dafür wird eine Information über die axial wirkende Kraft (Axialkraft) an der Abtriebswelle 24 benötigt. Mit anderen Worten bedarf es einer quantifizierten Information über die ursächlich von dem Stator 28 und dem Läufer 30 hervorgerufene, eine transla¬ torische Bewegung bewirkende Kraft. Vorliegend basiert das System zur Ermittlung einer solchen quantifizierten Größe auf dem Messen der Verformung der Topfscheibe 22. Da der Läufer 30 am äußeren Rand der TopfScheibe 22 angreift und die Abtriebswelle 24 zentral an die Topf- scheibe 22 angestückt ist, kommt es zu Hebelwirkungen und da¬ mit zusammenhängend zu Verformungen der Topfscheibe 22, wenn axiale Kräfte wirken. Die Verformungen können nun in einen Zusammenhang mit der Axialkraft gebracht werden. Eine Messung der Verformungen ermöglicht es somit, eine quantifizierte Aussage über die Axialkraft abzugeben.
Die Messung der Verformung erfolgt nun wie folgt:
Wie anhand den FIG 2A und 2C zu sehen ist, sind auf der Vor- derseite der Topfscheibe 22 zwei sich radial über die Topf¬ scheibe 22 erstreckende Dehnungsmessstreifen, nämlich Dehnungsmessstreifen DMSl und Dehnungsmessstreifen DMS2 vorgesehen. Auf der Rückseite der Topfscheibe 22 sind an genau den¬ selben Stellen ein Dehnungsmessstreifen DMS3 und ein Deh- nungsmessstreifen DMS4 vorgesehen. Der Dehnungsmessstreifen DMS4 liegt gewissermaßen "hinter" dem Dehnungsmessstreifen DMSl und der Dehnungsmessstreifen DMS3 liegt gewissermaßen "hinter" dem Dehnungsmessstreifen DMS2. Man hat sich nun vorzustellen, dass sich die Scheibe von dem Ruhezustand, wie er in FIG 2B von der Seite gezeigt ist, in einen Zustand ver¬ setzt, in dem sie aufgewölbt ist. Hierbei bewegt sich das Zentrum der Scheibe in eine Richtung und der Rand der Scheibe vollständig in eine entgegengesetzte Richtung. Hierbei werden die Dehnungsmessstreifen DMSl und DMS2 beispielsweise ge- staucht, während die Dehnungsmessstreifen DMS3 und DMS4 ge¬ streckt werden.
Dehnungsmessstreifen ändern ihren Widerstand bei Stauchung oder Streckung. Die in den FIG 2A und FIG 2C veranschaulichte Anbringung der Dehnungsmessstreifen auf Vorder- und Rückseite ermöglicht eine Brückenschaltung, wie sie in FIG 3 gezeigt ist. Hierbei sind die jeweils auf einander entsprechenden Stellen der Topfscheibe 22 angebrachten Dehnungsmessstreifen in parallelen Zweigen der Brücke angeordnet, also DMSl einerseits und DMS4 andererseits bzw. DMS3 einerseits und DMS2 an¬ dererseits. Hierbei ist der jeweils auf der gleichen Seite befindliche Streifen im jeweils anderen Parallelzweig im un- teren Teil angeordnet, also DMS2 befindet sich auf der glei¬ chen Seite wie DMSl (oberer linker Zweig) und ist im unteren Teil der Brückenschaltung im rechten Zweig angeordnet, während sich DMS3 auf derselben Seite wie DMS4 befindet und im linken Zweig der Brückenschaltung im unteren Teil angeordnet ist, während DMS4 sich im rechten oberen Zweig befindet. An die gezeigte Brückenschaltung wird nun eine externe Spannung Ue angelegt. Die oben beschriebene Verschaltung der Dehnungs¬ messstreifen ist dergestalt, dass bei einer Verformung der Topfscheibe 22 eine Brückenspannung V abfällt, die von Null verschieden ist.
Eine theoretische Kurve ist in FIG 4 gezeigt. Hierbei ist da¬ von ausgegangen, dass die Verformung linear zur wirkenden A- xialkraft (in Kilonewton gemessen) erfolgt. Die Brückenspan- nung ist ihrerseits linear zur Verformung. Es ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen Brückenspannung und Axialkraft, die in FIG 4 dargestellt ist.
Bei realen Motoren kann der Zusammenhang von dieser linearen Beziehung abweichen. Bevorzugt ist dann eine Kalibrierung vorgesehen. Es kann mit Kraftmessern die Axialkraft gleichzeitig zur Verformung gemessen werden und so die gemessene elektrische Spannung gegenüber der Kraft kalibriert werden.
Da ein Messwert für die Axialkraft für eine Regelung benötigt wird, sind in dem Motor, an dem Motor bzw. in der Umgebung des Motors entsprechende Einrichtungen vorhanden, solche Messwerte elektronisch auszuwerten. Eine die lineare Bezie¬ hung gemäß FIG 4 wiedergegebene Formel oder auch eine Kalib- riertabelle kann in einem Rechenbaustein abgelegt werden (nicht gezeigt), dem gleichfalls das Messsignal zugeführt wird. Mit anderen Worten kann der Rechenbaustein einen Messwert für die Axialkraft zu dem gewonnen Messsignal zuordnen und ihn dem Regelungssystem zuführen bzw. auch auf einer Anzeige anzeigen, falls dies notwendig sein sollte.
Die Erfindung erlaubt eine sehr präzise Ermittlung eines Messwertes für die Axialkraft. Die hierbei eingewendeten Mit¬ tel sind nicht besonders aufwändig. Insbesondere können die Dehnungsmessstreifen DMSl bis DMS4 ohne wesentlich zu stören an der TopfScheibe 22 angebracht werden. Die in FIG 3 veran¬ schaulichte Brückenschaltung ist einfach und unaufwändig.

Claims

Patentansprüche
1. Motor (10) mit einem rotatorischem Antrieb, der eine Abtriebswelle (24) in eine rotatorische Bewegung versetzen kann, und mit einem linearen Antrieb, der die Abtriebswelle (24) in eine translatorische Bewegung versetzen kann, wobei der lineare Antrieb einen mit Hilfe eines Stators (28) in li¬ neare Bewegung versetzten Läufer (30) umfasst, der über ein den Läufer (30) mit der Abtriebwelle (24) verbindendes Motor- element (22) eine Axialkraft auf die Abtriebswelle (24) aus¬ übt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Motor ferner umfasst:
- eine Einrichtung (DMSl bis DMS4; FIG 3) zum Gewinnen eines von der Verformung des Motorelements abhängigen Messsig- nals, und
- eine Einrichtung zum Zuordnen eines Messwerts für die Axialkraft zu den gewonnenen Messsignalen.
2. Motor (10) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass das Motorelement eine Topfscheibe
(22) ist.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einrichtung zum Gewinnen des Messsignals zumindest einen Dehnungsmessstreifen (DMSl bis DMS4) umfasst.
4. Motor nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dehnungsmessstreifen paarweise (DMS1,DMS4; DMS2, DMS3) jeweils mit einem Dehnungsmessstreifen (DMS1;DMS2) auf einer Vorderseite (FIG 2A) und einem Dehnungsmessstreifen (DMS3;DMS4) auf einer Rückseite (FIG 2C) des Motorelements (22) angeordnet sind.
5. Motor (10) nach Anspruch 4, mit zwei Dehnungsmessstreifen- paaren, die elektrisch zu einer Brückenanordnung (FIG 3) verschaltet sind, wobei die beiden Dehnungsmessstreifen der Paare jeweils in verschiedenen Parallelzweigen der Brücken ange- ordnet sind, und wobei eine zwischen den Parallelzweigen in der Mitte der Brücke abfallende Brückenspannung (V) das Mess¬ signal ergibt.
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