DE102006006037A1

DE102006006037A1 - Motor mit rotatorischem und linearem Antrieb mit integrierter Axialkraftmessung

Info

Publication number: DE102006006037A1
Application number: DE102006006037A
Authority: DE
Inventors: Thomas Budde
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-10
Also published as: US20090007698A1; DE102006006037B4; US7793558B2; JP2009526510A; WO2007090710A1; JP4841634B2

Abstract

An einem Motor mit einem rotatorischem und mit einem linearen Antrieb wird die von dem lineraren Antrieb hervorgerufene Antriebskraft dadurch quantifiziert erfassbar, dass eine Verformung eines Motorelements (Topfscheibe 22), welches einen Läufer (30) des linearen Antriebs mit einer Antriebswelle (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 (DMS1 bis DMS4) eingesetzt.

Description

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 Information über die von dem linearen Antrieb auf die Abtriebswelle ausgeübte Axialkraft benötigt.
Bisher verfolgte man hierbei den Ansatz, die Axialkraft anhand 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 ungenau, 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 gemessenen Verformung erfolgen. Ein Wert für die Axialkraft kann beispielsweise von der Einrichtung zum Zuordnen über eine entsprechende Anzeigevorrichtung ausgegeben werden oder elektronisch einer Regelungseinheit zugeführt werden.

Kühlmotoren mit rotatorischem und linearem Antrieb gibt es in mehreren Bauarten. Üblicherweise wird man die Bauart bevorzugen, 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 linearen Antriebs an. Dementsprechend ist er üblicherweise zylinderförmig.

Bevorzugt umfasst die Einrichtung zum Gewinnen des Messsignals zumindest einen Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstreifen 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 Dehnungsmessstreifens die Verformung des zu vermessenden Elements nach, und diese Verformung ist anhand einer Widerstandsmessung 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 Motorelements und auf einer Rückseite angeordnet. Im Falle der Topfscheibe ist es möglich, dass die Stellen auf der Vorderseite 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 Dehnungsmessstreifenpaare, 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 Vorder- und Rückseite.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 schematisch einen Querschnitt durch einen Motor zeigt, bei dem die Erfindung verwirklicht werden kann,

2A eine Draufsicht auf die zu dem Motor aus 1 zugehörige Topfscheibe mit zwei Dehnungsmessstreifen zeigt,

2B eine Seitenansicht der Topfscheibe mit der Welle zeigt, um schematisch die axiale Kraft zu veranschaulichen, und

2C schematisch eine Hinteransicht der Topfscheibe mit zwei weiteren Dehnungsmessstreifen zeigt,

3 die elektrische Verschaltung der Dehnungsmessstreifen aus den 2A und 2C darstellt, bei der das Messsignal gewonnen werden kann,

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 Statoren 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 angestückt. In Verlängerung der Welle 18 ist wiederum an die Topfscheibe 22 eine Abtriebswelle 24 angestückt. Mit der Drehung der Welle 18 dreht sich somit auch die Abtriebswelle 24. Die Abtriebswelle 24 ist in einem Lager 26 gelagert. Die Lager 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 translatorische 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 Topfscheibe 22 angestückt ist, kommt es zu Hebelwirkungen und damit 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 2A und 2C zu sehen ist, sind auf der Vorderseite der Topfscheibe 22 zwei sich radial über die Topfscheibe 22 erstreckende Dehnungsmessstreifen, nämlich Dehnungsmessstreifen DMS1 und Dehnungsmessstreifen DMS2 vorgesehen. Auf der Rückseite der Topfscheibe 22 sind an genau denselben Stellen ein Dehnungsmessstreifen DMS3 und ein Dehnungsmessstreifen DMS4 vorgesehen. Der Dehnungsmessstreifen DMS4 liegt gewissermaßen "hinter" dem Dehnungsmessstreifen DMS1 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 2B von der Seite gezeigt ist, in einen Zustand versetzt, 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 DMS1 und DMS2 beispielsweise gestaucht, während die Dehnungsmessstreifen DMS3 und DMS4 gestreckt werden.

Dehnungsmessstreifen ändern ihren Widerstand bei Stauchung oder Streckung. Die in den 2A und 2C veranschaulichte Anbringung der Dehnungsmessstreifen auf Vorder- und Rückseite ermöglicht eine Brückenschaltung, wie sie in 3 gezeigt ist. Hierbei sind die jeweils auf einander entsprechenden Stellen der Topfscheibe 22 angebrachten Dehnungsmessstreifen in parallelen Zweigen der Brücke angeordnet, also DMS1 einerseits und DMS4 andererseits bzw. DMS3 einerseits und DMS2 andererseits. Hierbei ist der jeweils auf der gleichen Seite befindliche Streifen im jeweils anderen Parallelzweig im unteren Teil angeordnet, also DMS2 befindet sich auf der gleichen Seite wie DMS1 (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 Dehnungsmessstreifen ist dergestalt, dass bei einer Verformung der Topfscheibe 22 eine Brückenspannung V abfällt, die von Null verschieden ist.

Eine theoretische Kurve ist in 4 gezeigt. Hierbei ist davon ausgegangen, dass die Verformung linear zur wirkenden Axialkraft (in Kilonewton gemessen) erfolgt. Die Brückenspannung ist ihrerseits linear zur Verformung. Es ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen Brückenspannung und Axialkraft, die in 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 Beziehung gemäß 4 wiedergegebene Formel oder auch eine Kalibriertabelle 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 Mittel sind nicht besonders aufwändig. Insbesondere können die Dehnungsmessstreifen DMS1 bis DMS4 ohne wesentlich zu stören an der Topfscheibe 22 angebracht werden. Die in 3 veranschaulichte Brückenschaltung ist einfach und unaufwändig.

Claims

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 lineare Bewegung versetzten Läufer (30) umfasst, der über ein den Läufer (30) mit der Abtriebwelle (24) verbindendes Motorelement (22) eine Axialkraft auf die Abtriebswelle (24) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor ferner umfasst: – eine Einrichtung (DMS1 bis DMS4; 3) zum Gewinnen eines von der Verformung des Motorelements abhängigen Messsignals, und – eine Einrichtung zum Zuordnen eines Messwerts für die Axialkraft zu den gewonnenen Messsignalen.
Motor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Motorelement eine Topfscheibe (22) ist.
Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Gewinnen des Messsignals zumindest einen Dehnungsmessstreifen (DMS1 bis DMS4) umfasst.
Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnungsmessstreifen paarweise (DMS1, DMS4; DMS2, DMS3) jeweils mit einem Dehnungsmessstreifen (DMS1; DMS2) auf einer Vorderseite (2A) und einem Dehnungsmessstreifen (DMS3; DMS4) auf einer Rückseite (2C) des Motorelements (22) angeordnet sind.
Motor (10) nach Anspruch 4, mit zwei Dehnungsmessstreifenpaaren, die elektrisch zu einer Brückenanordnung (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 Messsignal ergibt.