DE102008062833A1

DE102008062833A1 - Verfahren zum Herstellen von Teilen eines Positionsmesssystems

Info

Publication number: DE102008062833A1
Application number: DE102008062833A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. Mannebach
Original assignee: Hydac Electronic GmbH
Current assignee: Hydac Electronic GmbH
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen von Teilen eines Positionsmesssystems, bei dem die metallische Kolbenstange (1) eines Arbeitszylinders beim Messvorgang entlang zumindest einer Magnetsensoreinrichtung verfährt, mit den folgenden Schritten: - Vorsehen einer Kolbenstange (1) mit einem ferromagnetischen Kern hoher magnetischer Suszeptibilität; - Versehen der Oberfläche des Kernes mit einer die magnetische Suszeptibilität entlang einer vorgebbaren Messrichtung verändernden Flächenstruktur (57) und - Aufbringen eines die Flächenstruktur (57) überdeckenden Beschichtungssystems (9), das eine geringere Suszeptibilität als der Kern aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (9) zumindest teilweise durch eine Pulverbeschichtung, insbesondere ein Pulver-Flammspritzverfahren, aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Teilen eines Positionsmesssystems, bei dem die metallische Kolbenstange eines Arbeitszylinders beim Messvorgang entlang einer Magnetsensoreinrichtung verfährt. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Messvorrichtung zum Ermitteln der Weglänge der Verfahrbewegung der Kolbenstange eines Arbeitszylinders.
Beim Betrieb von insbesondere hydraulisch betätigten Arbeitszylindern in Arbeitsgeräten, wie Baumaschinen, Baggern, Krananlagen oder dergleichen, ist in vielen Fällen eine genaue Kenntnis der Position einer betreffenden Kolbenstange erforderlich. Um eine diesbezügliche Information auch in solchen Fällen zur Verfügung zu stellen, wo ein Bediener keine Möglichkeit hat, die Kolbenstangenposition visuell zu erkennen, sind bereits Positionsmesssysteme bekannt, die eine Anzeige der Weglänge der Verfahrbewegung einer betreffenden Kolbenstange liefern.
In dem Dokument DE 10 2006 010 780 A1 ist diesbezüglich eine Lösung offenbart, bei der mittels einer Magnetsensoreinrichtung eine Flächenstruktur erkannt wird, die sich im Außenbereich der Kolbenstange entlang einer Messrichtung, d. h. im Allgemeinen in Axialrichtung, erstreckt und Änderungen der magnetischen Suszeptibilität des mit dem ferromagnetischen Kern hoher magnetischer Suszeptibilität gebildeten Systems in der Messrichtung liefert.
Bei der bekannten Lösung ist hierfür in das Kernmaterial der Kolbenstange eine Rillenstruktur eingearbeitet, wodurch in Messrichtung eine Folge von Wellenbergen und Wellentälern gebildet ist. Die Magnetsensoreinrichtung, längs deren die Kolbenstange bei den Arbeitsbewegungen verfährt, weist einen Permanentmagneten sowie zwei Feldänderungen erkennende Magnetsensoren auf, die bei Vorbeilauf der Rillenstruktur Messsignale erzeugen.
Damit die Außenseite der Kolbenstange die für den Betrieb eines Arbeitszylinders erforderliche glatte Oberfläche minimaler Rauhigkeit besitzt, so dass ein Betrieb ohne die Gefahr einer Beschädigung von Dichtungssystemen gewährleistet ist, ist ein die Rillenstruktur überdeckendes Beschichtungssystem vorgesehen, wobei die insbesondere durch eine äußere Chromschicht gebildete Beschichtung eine geringere Suszeptibilität als der Kern aufweist, so dass die Stärke des von dem Magneten der Sensoreinrichtung erzeugten Magnetfeldes im wesentlichen lediglich von der Rillenstruktur beeinflußt ist.
Dabei hängt die Größe der bei der Relativbewegung erzeugten Feldänderungen von der Geometrie der Rillenstruktur sowie der Position der Magnetsensoren der Sensoreinrichtung ab, wobei die Effektivität der erkannten Feldänderungen, d. h. die erreichbare Signalstärke, um so besser sind, je tiefer die Rillenstruktur und je geringer der Abstand der Magnetsensoren von der Rillenstruktur sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, das es ermöglicht, Positionsmesssysteme der betrachteten Art so auszubilden, das besonders hohe Signalstärken und damit eine entsprechende hohe Messsicherheit erreichbar sind.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung besteht gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 darin, dass das Beschichtungssystem zumindest teilweise durch eine Pulverbeschichtung, insbesondere ein Pulver-Flammspritzverfahren, aufgebracht wird. Der Schichtaufbau durch Benutzung eines Spritzverfahrens eröffnet die Möglichkeit, an der Kolbenstange eine Flächenstruktur auszubilden, die im Hinblick auf die Effizienz der magnetischen Signalerzeugung optimal ist. Genauer gesagt, kann die Flächenstruktur so gestaltet werden, dass sich in der Messrichtung Vertiefungen und Erhebungen abwechseln, wobei die Tiefe der Vertiefungen so groß gewählt werden kann, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 500 μm, dass im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich markantere Änderungen der magnetischen Suszeptibilität entlang der Messrichtung auftreten. Bei einem Schichtaufbau entsprechend dem Stand der Technik sind Strukturtiefen lediglich im Bereich von etwa 200 μm praktikabel, weil die Ausbildung von Schichten aus den in Frage kommenden, nicht ferromagnetischen Metallen, wie Chrom, bei Schichtdicken von mehr als 50 μm problematisch ist, da bei nach üblichen Verfahren, insbesondere galvanisch gebildeten dicken Schichten Zugspannungen entstehen, die zu Rissen und Abplatzungen führen können. Im Gegensatz hierzu lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren Strukturen vergleichsweise größerer Tiefe problemlos vollständig auffüllen. Wegen der geringen Strukturtiefen, auf die die Systeme des Standes der Technik eingeschränkt sind, sind eine sichere Signalerzeugung und dadurch ein zuverlässiges Messergebnis nur erreichbar, wenn das System nach dem Prinzip des „gleitenden Sensors” arbeitet. Dies besagt, dass die Magnetsensoren der Sensoreinrich tung an einem Sensorträger angebracht sind, der in einem Sensorgehäuse bezüglich der Achse der Kolbenstange radial bewegbar gelagert und mittels einer Federanordnung radial zur gleitenden Anlage an der Außenseite der Kolbenstange vorgespannt ist, an der er mit Gleitflächen anliegt. Die gleitende Anlage ermöglicht es, trotz geringer Strukturtiefen und unter Berücksichtigung von Toleranzen und radialer Bewegungen der Kolbenstange ein sicheres Signal zu gewährleisten. Wegen der demgegenüber wesentlich größeren Strukturtiefen, die bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Kolbenstangen zur Verfügung stehen, ist die sichere Signalerzeugung auch bei wesentlich größerem Abstand der Magnetsensoren von der Kolbenstangenoberfläche gewährleistet. Somit kann die Sensoreinrichtung für den berührungsfreien Abstand von der Oberfläche der Kolbenstange in einem Gehäuseteil fest angebracht sein, das den betreffenden Arbeitszylinder umgibt. Während beim Stand der Technik aufgrund der Bewegungsfreiheit des Sensorträgers kein absolut dichter Einschluss der Sensoren gegeben ist und es durch Eindringen von Schleppöl zu Beeinträchtigungen kommen kann, bildet der feste Sensor eine gekapselte Einheit, die dicht und kompakter ist, weil keine für die Bewegungsfreiheit notwendige Feder, die Bauraum benötigt, vorhanden ist. Zudem ist der beim Stand der Technik auftretende Verschleiß zwischen Kolbenstange und Gleitflächen vermieden.
Die benutzten Magnetsensoren, die Art der Signalgewinnung sowie der Signalverarbeitung zur Lieferung des Messergebnisses und dessen Anzeige können dem Stand der Technik entsprechen, etwa entsprechend der in DE 10 2006 010 780 A1 offenbarten Lösung, so dass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.
Vorzugsweise wird an der Kolbenstange eine Flächenstruktur in Form von im wesentlichen radialsymmetrischen Rillen gebildet, die an der Außenseite des Kernes Wellenberge und Wellentäler, vorzugsweise in sinusförmigem Verlauf, bilden.
Erfindungsgemäß kann so vorgegangen werden, dass Rillen mit einer Tiefe von zumindest etwa 500 μm durch Drehen gebildet werden.
Vorzugsweise wird weiterhin so vorgegangen, dass durch das Pulver-Flammspritzverfahren eine die Rillen vollständig auffüllende Beschichtung erzeugt, diese thermisch behandelt und zur Bildung einer glatten Außenseite geschliffen wird. Auf diese Weise ist eine Kolbenstange realisierbar, die sich hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere in Form einer Chromoberfläche minimaler Rauhigkeit, von üblichen Kolbenstangen, die nicht Teil eines Positionsmesssystems sind, in keiner Weise unterscheidet.
Die thermisch aufgespritzte Schicht kann durch Induktionsschmelzen nachbehandelt werden, wodurch eine zusätzliche Homogenisierung des Gefüges erreicht wird.
Für den Aufbau des Beschichtungssystems kann mit Vorteil so vorgegangen werden, dass eine Schicht aus nicht ferromagnetischem Nickel und eine darüberliegende Chromschicht thermisch aufgespritzt werden.
In vorteilhafter Weise kann hierbei so vorgegangen werden, dass die Beschichtung in einer solchen Schichtdicke thermisch aufgespritzt wird, dass sich die nach dem Überschleifen gebildete glatte Außenseite etwa 50 μm oberhalb der Wellenberge der Rillen befindet.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellte Messvorrichtung, die die Merkmale des Patentanspruches 9 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den weiteren Ansprüchen 10 bis 13 angegeben.
Nachstehend ist die Beschreibung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im Einzelnen erläutert.
Es zeigen:
1 einen schematischen, etwa um den Faktor 10 vergrößert gezeichneten Längsschnitt des Außenbereichs einer Kolbenstange mit einer Rillenstruktur, die durch eine Beschichtung überdeckt ist;
2 einen stark schematisch vereinfacht und gegenüber einer praktischen Ausführungsform leicht vergrößert dargestellten Längsschnitt einer Einrichtung zur Bildung einer Pulverbeschichtung durch ein Pulver-Flammspritzverfahren;
3 eine abgebrochen gezeichnete perspektivische Schrägansicht eines hydraulischen Arbeitszylinders, versehen mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Positionsmesssystem;
4 einen schematisch vereinfacht und abgebrochen gezeichneten Längsschnitt des in 3 gezeigten Endabschnittes des Arbeitszylinders und
5 einen schematisch vereinfacht und abgebrochen gezeichneten Teilquerschnitt im wesentlichen entsprechend der Schnittlinie V-V von 4.
Die 1 zeigt schematisiert einen Außenabschnitt einer Kolbenstange 1 mit einem Kern aus ferromagnetischem Material hoher magnetischer Suszeptibilität. Dies ist bei den allermeisten Stahllegierungen der Fall, so dass es sich um eine bei Hydraulikzylindern übliche Kolbenstange 1 handeln kann. Außenumfangsseitig weist die Kolbenstange 1 eine Rillenstruktur aus radialsymmetrischen Rillen auf, die in der der Messrichtung entsprechenden Längsrichtung 3 in sinusförmigem Verlauf eine Folge von Wellenbergen 5 und Wellentälern 7 bilden. Beim vorliegenden Beispiel beträgt die Tiefe der Rillenstruktur, gemessen in Radialrichtung der Kolbenstange 1 zwischen Wellenbergen 5 und Wellentälern 7 etwa 500 μm. Über der Rillenstruktur ist eine Beschichtung 9 aus einem Metall aufgebracht, das eine geringere magnetische Suszeptibilität als der Kern der Kolbenstange 1 besitzt. Beim vorliegenden Beispiel handelt es sich hierbei um eine Beschichtung 9 aus nicht ferromagnetischem Chrom. Eine solche Beschichtung ist nicht nur hinsichtlich der Änderungen der Suszeptibilität des aus Kern der Kolbenstange 1 und Beschichtung 9 gebildeten Systems neutral, sondern erfüllt auch die an die Oberfläche der Kolbenstange 1 zu stellenden Anforderungen bezüglich Härte, Rauhigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Lebensdauer. Um dies zu gewährleisten ist die äußere Oberfläche 11 glatt geschliffen.
Erfindungsgemäß ist die Beschichtung 9 durch Pulver-Flammspritzen gebildet. Im Unterschied zu üblichen Beschichtungsverfahren insbesondere galvanischer Art, mit denen Chromschichten auf metallischen Flächen lediglich in Schichtstärken bis etwa 50 μm aufgetragen werden können, wenn Rissbildungen, Zugspannungen und Abplatzungen vermieden werden sollen, ermöglicht es das Flamm-Spritzverfahren, die Beschichtung 9 fehlerfrei in einer Schichtstärke aufzutragen, die es ermöglicht, Oberflächenstrukturen mit großen Strukturtiefen, wie dies im vorliegenden Fall mit Tiefen von etwa 500 μm zwischen Wellenbergen 5 und Wellentälern 7 der Fall ist, nicht nur vollständig aufzufüllen, sondern auch einen Überstand über den Wellenbergen 5 zu erzeugen, etwa in der Größenordnung von 50 μm.
Die 2 zeigt schematisiert eine Spritzvorrichtung für das Pulver-Flammspritzen für die Beschichtung einer lediglich schematisiert angedeuteten metallischen Oberfläche 13. Die Vorrichtung weist einen Spritzkopf 15 auf, dessen Austrittsteil 17 eine Austrittsöffnung 19 für den Flammenaustritt bildet. Zur Bildung der Flamme weisen Spritzkopf 15 und Austrittsteil 17 eine Innendüse 20 auf, zu der Brenngas über einen Gaskanal 21 zugeführt wird. Über einen Pulverkanal 23 wird das Beschichtungsmaterial in Form eines Metallpulvers mittels Druckluft oder Gas unmittelbar in die Innendüse 20 und damit in die Flamme geleitet. Das in der Innendüse 20 zum Aufschmelzen erhitzte Pulver tritt mit dem Gas durch die Austrittsöffnung 19 aus, wobei durch Zufuhr von Luft oder Sauerstoff über einen Luftkanal 25 die Strahlgeschwindigkeit beschleunigt und die Flamme verstärkt wird. Dadurch ist eine homogene Beschichtung der metallischen Oberfläche 13 mit großer Schichtstärke erzeugbar.
Während die 1 eine Beschichtung 9 zeigt, die aus einer einlagigen Chromschicht besteht, kann die Beschichtung 9 mehrlagig aufgebaut sein, indem beispielsweise zunächst eine Schicht aus einer nicht ferromagnetischen Nickellegierung aufgespritzt wird, über der die äußere Chromschicht aufgespritzt wird.
Zu Erzielung optimaler Gefügeeigenschaften kann nach dem Aufspritzen eine thermische Nachbehandlung der Beschichtung vorgenommen werden, beispielsweise unter Anwendung eines Induktionsschmelzverfahrens.
3 zeigt einen Endbereich eines Arbeitszylinders 27 mit einem Gehäuseteil 29, das einen axialen, endseitigen Fortsatz des eigentlichen Hauptteiles des Arbeitszylinders 27 bildet und sich außerhalb der fluidbeaufschlagten Teile des Arbeitszylinders 27 befindet. Dieses Gehäuseteil 29 bildet den Träger für eine als Ganzes mit 31 bezeichnete Sensoreinrichtung zum Mes sen der Weglängen der Verfahrbewegungen der sich durch das Gehäuseteil 29 nach außen erstreckenden Kolbenstange 1. Die Sensoreinrichtung 31 weist ein in ihrem Hauptteil im großen Ganzen kreiszylindrisches Sensorgehäuse 33 auf, an dessen äußerem Ende sich eine Anschlusseinrichtung 35 für elektrische Signalleitungen befindet. In Abstand von der Anschlusseinrichtung 35 befindet sich am Sensorgehäuse 33 ein Befestigungsflansch 37, mittels dessen das Gehäuse 33 am Gehäuseteil 29 des Arbeitszylinders 27 fest gelagert ist, und zwar mittels eines den Flansch 37 übergreifenden Spannringes 39, der bei 41 mit dem Gehäuseteil 29 verschraubt ist, wobei zur genauen Positionierung ein Passtift 42 zwischen Flansch 37 und Gehäuseteil 29 eingebaut ist. Wie aus 5 am deutlichsten zu ersehen ist, ist das Sensorgehäuse 33 am Gehäuseteil 29 des Arbeitszylinders 27 in solcher Lagebeziehung relativ zur Außenseite der Kolbenstange 1 fest angebracht, dass die gesamte Sensoreinrichtung 31 sich in einem berührungsfreien Abstand von der Außenseite der Kolbenstange 1 befindet. Da die eigentlichen Magnetsensoren 43, die sich in einem axialen Abstand voneinander unterhalb eines Permanentmagneten 45 befindet, im Sensorgehäuse 33 ebenfalls fest angebracht sind, bleiben auch die Sensoren 43 selbst in einem berührungsfreien Abstand von der Kolbenstange 1. Die gesamte Sensoreinrichtung 31 weist daher keinerlei beweglichen Teile auf. Da, wie bereits erläutert, bei dem erfindungsgemäß hergestellten Positionsmesssystem die Rillenstruktur an der Kolbenstange 1 mit großer Strukturtiefe ausgebildet ist, ist auch bei dem vorhandenen Abstand der Sensoren 43 eine hohe Signalstärke erreichbar, so dass die Vorteile des berührungsfreien Messvorganges genutzt werden können, ohne dass Einschränkungen hinsichtlich der Signalerzeugung in Kauf genommen werden müssten.
Beim gezeigten Beispiel bildet die Kolbenstange 1 in Gänze den die hohe magnetische Suszeptibilität aufweisenden Kern. Unter der Bezeichnung „Kern” ist vorliegend jedoch auch jedweder Bestandteil der Kolbenstange 1 gemeint, der eine für die Positionsmessung durch eine Magnetsensorein richtung geeignete magnetische Suszeptibilität aufweist, die mit einer Änderungen der Suszeptibilität bewirkenden Struktur versehen werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006010780 A1 [0003, 0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Teilen eines Positionsmesssystems, bei dem die metallische Kolbenstange (1) eines Arbeitszylinders (27) beim Messvorgang entlang zumindest einer Magnetsensoreinrichtung (31) verfährt, mit den folgenden Schritten: – Vorsehen einer Kolbenstange (1) mit einem ferromagnetischen Kern hoher magnetischer Suszeptibilität; – Versehen der Oberfläche des Kernes mit einer die magnetische Suszeptibilität entlang einer vorgebbaren Messrichtung verändernden Flächenstruktur (57) und – Aufbringen eines die Flächenstruktur (57) überdeckenden Beschichtungssystems (9), das eine geringere Suszeptibilität als der Kern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungssystem (9) zumindest teilweise durch eine Pulverbeschichtung, insbesondere ein Pulver-Flammspritzverfahren, aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flächenstruktur in Form von im wesentlichen radialsymmetrischen Rillen (5, 7) gebildet wird, die an der Außenseite des Kernes Wellenberge (5) und Wellentäler (7), vorzugsweise in sinusförmigem Verlauf, bilden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Rillen (5, 7) mit einer Tiefe von zumindest etwa 500 μm durch Drehen gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Pulver-Flammspritzverfahren eine die Rillen (5, 7) vollständig auffüllende Beschichtung (9) erzeugt, diese thermisch behandelt und zur Bildung einer glatten Außenseite (11) geschliffen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch aufgespritzte Beschichtung (9) durch Induktionsschmelzen nachbehandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Beschichtung (9) eine Chromschicht thermisch aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rillenstruktur (5, 7) eine Schicht aus nicht ferromagnetischem Nickel thermisch aufgespritzt wird und dass die Chromschicht auf dieser Schicht aufgespritzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (9) in einer solchen Schichtdicke thermisch aufgespritzt wird, dass sich die nach dem Überschleifen gebildete glatte Außenseite (11) etwa 50 μm oberhalb der Wellenberge (5) der Rillen befindet.
Nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellte Messvorrichtung zum Ermitteln der Weglänge der Verfahrbewegung der einen Kern hoher magnetischer Suszeptibilität aufweisenden Kolbenstange (1) eines Arbeitszylinders (27), mit zumindest einem Magneten (45) und einer Sensoreinrichtung (31) zum Erkennen von Änderungen der Suszeptibilität, die beim Vorbeilauf an der Sensoreinrichtung (31) durch eine Rillenstruktur (5, 7) am Kern der Kolbenstange (1) erzeugt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (31) für den berührungsfreien Abstand von der Oberfläche (11) der Kolbenstange (1) in einem die Kolbenstange (1) umgebenden Gehäuseteil (29) des Arbeitszylinders (27) fest angebracht ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das den Träger der Sensoreinrichtung (31) bildende Gehäuseteil (29) durch einen am Arbeitszylinder (27) befindlichen axialen Fortsatz desselben gebildet ist, der außerhalb des fluidbeaufschlagten Teiles des Arbeitszylinders (27) gelegen ist.
Messsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (31) zwei in Richtung der Verfahrbewegung der Kolbenstange (1) axial zueinander versetzte Magnetsensoren (43) aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rillenstruktur (5, 7) mit einer Tiefe von zumindest etwa 1 mm vorgesehen ist, die von einem eine geringere Suszeptibilität als der Kern aufweisenden Beschichtungssystem (9) überdeckt ist, das die Rillenstruktur (5, 7) zur Bildung einer glatten Außenseite (11) auffüllt.
Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Außenseite (11) des Beschichtungssystems (9) etwa 50 μm oberhalb der Erhebungen (5) der Rillenstruktur (5, 7) befindet.