专利名称：电磁夹紧装置及用于检测和控制电磁夹紧装置工作状态的方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁夹紧装置及一种用于检测和控制电磁夹紧装置工作状态的方法。
背景技术：
一般来说，夹紧装置在各种各样材料处理和生产机械如(工业)机械手、操纵装置或注塑机中是必需的，比如用于在汽车工业中的装配线处(可松开地)将工具(如焊枪或吸持卡盘)或工件附着到机械手的机械手臂上或是将一个注塑模附着到一个装模压台上。
材料处理和生产机械如机械手、操纵装置或注塑机一般装备有各种传感装置，用于保证机械式或液压式为基础的耦合机构适当地接合，以使其工作持续进行。为了使停机时间(比如用于更换机械手的工具)减至最少和使这些种类的机器生产率达到最大，近来越来越多采用电磁耦合机构，比如作为用于注塑机的快速换模装置。
下面，用关于这种用于注塑机的快速换模装置举例说明已知的电磁耦合装置，该电磁耦合装置也叫做吸盘。基于磁性的快速换模装置不象机械和液压耦合机构，它通常不需要对模具作过大修改，并用最少的结构修改辅助电磁夹紧，因为它们很容易直接与注塑模惯常用的平钢底座耦合。此外，基于磁性的快速换模装置具有更大的夹紧精度、改善的安全性、易于接近性、及少的维护和能耗。而且，基于磁性的快速换模装置一般不用多余的耦合机构，而仅仅依靠由磁化作用所产生的夹紧力来使模具保持处于精确而起作用的位置。
对这些电磁夹紧装置所提供的夹紧力假定工件(例如模具的背板)是用低碳钢制成，并具有足够的厚度和表面光洁度。然而，实际上有许多可能不利地影响夹紧力的因素。例如，工件可能是由一种具有低劣磁性能的材料制成，或者它可能翘曲或盖满污物或锈。另外，夹紧力可能由于夹紧时有外来物体夹在吸盘和工件之间而减少。此外，即使在正常的工作状态下，所产生的电磁夹紧力也足够把模具吸持在装模压台上，其中可能瞬时出现大的力的某些工作状态能产生，所述大的力具有挪动模具的可能。过充填模具或者不正确的顶杆行程调节，例如，可以形成一个超过电磁夹紧力的力，使模具松开并落到机器的底座上。
所有上述问题都可以减少电磁耦合机构的所加的夹紧力。目前已知的电磁夹紧装置中的传感器是电流传感器和接近开关。然而，电流传感器仅仅检测电源方面的问题，及现有接近探头只检测模具的实际存在。此外，上述的传感器都完全没有考虑磁耦合机构的磁极与模具接触的磁性能。因此，当上述工作状态出现时，这些类型传感器都不提供足够的指施用于检测这些问题。
上述接近传感器比如已安装到磁耦合器中。在工作时，只要模具是接触电磁吸盘，接近传感器就关闭，并保持工作状态。如果模具与电磁吸盘分开一个预定的距离，一般为0.2mm或更多，接近传感器打开，并在机器处起动一个紧急停止条件。这些传感参数加在一起足够，因为这个阈距离显著地减少了夹紧力，并且模具将在传感器信号之前已经移出它的底座。另一个问题可能由模具的起初安装引入。其中，视特定的控制系统而定，除非模具位于阈限之内，否则接近传感器阻止磁化作用。这种预装配条件在正常工作中难以达到。尽管不推荐，但操作人员时常增加接近开关阈值，以便允许磁路工作。然而，这种方法会造成不足的电磁耦合用于维持工作。在磁化时过大的间隙防止电磁耦合机构的可换向磁铁达到完全饱和，因而减少了夹紧力。另外，阈值调节也在形成紧急停止状态之前增加了允许的模具运动的量，进一步增加了在紧急信号之前发生模具分开的可能性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于机器的电磁耦合装置，所述电磁耦合装置保证足够的用于机器持续工作的夹紧力。
根据本发明，这个目的通过电磁夹紧装置用一种有创造性的方式解决，上述电磁夹紧装置具有至少一个电磁吸持单元，所述电磁吸持单元包括在工件处产生电磁夹紧力的可换向的磁铁和传感装置，其中上述传感装置包括探测线圈，所述探测线圈适于提供表示磁通量的检测信号，上述检测信号适用于至少近似确定施加在待夹紧工件上的夹紧力。
利用探测线圈测量电磁夹紧装置中的磁通量，以确定所述电磁夹紧装置在规定工件上的夹紧力，保证足够的用于持续工作的夹紧力，以及另外提供一个传感系统，所述传感系统能实现对模具分离更大的灵敏度、降低模具安装对准条件和保证在工作之前耦合状态中的磁饱和。有利的是，这个原理也可应用于任何磁铁构造，并且所用的探测线圈的位置和数目可适合于特定的应用。
优选的是探测线圈磁耦合到上述可换向的磁铁上，用于根据涉及上述电磁夹紧力变化的可换向磁铁和工件之间的磁通量状态实施电压输出。
根据一个优选实施例，提供了一种计算装置，所述计算装置耦合到探测线圈上，用于根据所述磁通量的变化提供输出信号，其中上述计算装置包括至少一个积分电路和/或控制装置，上述积分电路连接到探测线圈上，上述控制装置耦合到探测线圈上，用于根据上述磁通量条件变化，尤其是磁通量随时间变化速率和/或导磁率的变化提供控制信号。
因此，提供了一种具有传感器系统的电磁夹紧装置，上述传感器系统能检测在电磁吸持单元处的导磁率状态，用于确定可接受的夹紧力，和/或根据基于磁通量的运动和导磁率检测调整持续工作，和/或根据上述磁通量状态的变化提供控制信号，用于根据它控制工件的活动。
根据另一个优选实施例，电磁吸持单元还包括外磁极，所述外磁极具有一中心轴，并用铁磁性材料形成，上述外磁极包括底座和套管，所述套管限定从上述底座向外敞开的空腔，其中可换向的磁铁位于上述空腔内，并包括初级螺线线圈和永磁铁心，上述永磁铁心具有与上述中心轴线对准的磁轴和正常的处于不活动状态的磁极性。
在这个实施例中，如果电磁吸持单元另外包括圆筒形内磁极和带状构件，则它是有利的，上述内磁极用铁磁性材料形成，它操作上耦合到上述永磁铁心上并且径向向内与上述套管间隔开，而上述带状构件是在上述套管和上述内磁极之间，其中上述带状构件用永磁材料形成，所述永磁材料具有与上述中心轴相反的磁极性并与永磁铁心的磁极性磁性一致。
另外有利的是，在不活动状态下通过上述内磁极和外磁极、上述永磁铁心和上述带状构件形成内部磁路，和在活动状态下利用与可换向磁铁极性相反的初级螺线线圈在内磁极和外磁极与工件之间形成外部磁路。
在这个实施例中，探测线圈可以围绕初级螺线线圈或内磁极。因此，探测线圈可以安排在便于测量磁通量变化的各种不同位置中。
根据另一个优选实施例，电磁夹紧装置可以包括至少一个或多个另外的电磁吸持单元，上述另外的电磁吸持单元分别包括在工件处对电磁夹紧力作出贡献的可换向磁铁。
在这另一个优选实施例中，另外的电磁吸持单元的至少一个或某些或全部都包括传感装置，其中每个上述传感装置都包括探测线圈，所述探测线圈适合于提供表示磁通量的检测信号，上述检测信号适用于至少近似确定通过各电磁吸持单元施加在待夹紧工件上的夹紧力。
有利的是，不同电磁吸持单元的传感装置探测线圈的匝数在不同的电磁吸持单元之间不同，其中至少一个探测线圈包括比各其它探测线圈高得多的匝数。
如果各电磁吸持单元的探测线圈单独监测，其中各探测线圈连接到计算装置和/或控制装置各单独的积分电路上，或者如果各电磁吸持单元的探测线圈串联连接并监测组合的信号，其中组合的探测线圈连接到第一积分电路上，并且其中至少一个电磁吸持单元作为基准分开监测，因为它连接到第二积分电路上，则它是优选的。其中，第一积分电路的增益可以与第二积分电路的增益不同。
根据电磁夹紧装置的还有另外一个优选实施例，夹紧力用显示装置显示，和/或夹紧力传送到其它设备，尤其是注塑机或工业机械人，其中另一个设备的作用可以调节检测得到的夹紧力。
因为夹紧力可以显示或是可以传送到其它设备(比如注塑机)，所以设备能调节它的性能，以便使电磁夹紧力被那个设备所产生的力超过的危险减至最小。
根据电磁夹紧装置还有的另一个优选实施例，上述工件是具有一个模腔的注塑机用的模具部件，及上述具有探测线圈的可换向磁铁靠近上述模腔设置。
因此，可以保证用于注塑机上电磁快速换模系统的适当磁化作用和连续的材料接触。因为传感器能确定在电磁夹具和模具之间可以接受的磁化作用，所以电磁夹紧装置可用于注塑机的快速换模装置，其中有害的模具运动可以检测，以便使模具从电磁夹具掉落的危险减至最小。
电磁夹紧装置的另一些优选实施例放在其它的从属权利要求中。
本发明的另一个目的是提供一种用于检测和控制电磁夹紧装置工作状态的方法，所述方法使加到工件上的电磁夹紧力被加到工件上的外力超过的危险减至最小。
这另一个目的通过一种用于检测和控制电磁夹紧装置工作状态的方法解决，上述方法包括以下步骤将感应探测线圈安放在上述电磁夹紧装置中，通过监测来自探测线圈的电压输出检测在电磁夹紧装置工作期间上述探测线圈中磁通量的变化，和根据磁通量的变化估计电磁夹紧力。
根据一个优选实施例，用于检测和控制工作状态的方法还包括以下步骤如果所述磁通量的变化或者电磁夹紧力超过一个阈值，则产生第一报警条件，和/或在上述工作之前检测上述探测线圈中的磁通量或电磁夹紧力的水平并且如果上述磁通量或电磁夹紧力的水平未达到一个阈值水平则产生第二报警条件。
用于检测和控制电磁夹紧装置工作状态的方法的另一些优选实施例放在另一些从属权利要求中。
下面，对本发明的某些实施例结合附图更详细说明本发明，其中图1是包括一个电磁夹紧装置的模具夹紧组件立体图；图2是注塑机的头端示意图；图3是一个电磁吸持单元的局部视图，所述电磁吸持单元包括一个耦合到一个控制装置和一个传感装置上的可换向磁铁；图4A是示出由工件(模具)运动所产生的可换向磁铁磁通量随时间变化的关系曲线、相应的传感装置的一个探测线圈的电压输出随时间变化的关系曲线及根据图3的传感装置运动检测系统最终输出的曲线图；图4B是示出根据图3的传感系统的磁通量检测系统磁通量随时间变化的关系曲线图；图5是包括根据图3的一个电磁吸持单元的电磁夹紧装置前视图；图6是图5的电磁夹紧装置的一个局部透视图；图7是图5的电磁夹紧装置的另一个局部透视图；图8是一个没有传感装置的电磁吸持单元处于不活动状态时的透视图；及图9是图8的电磁吸持单元处于活动状态时的透视图。
具体实施例方式
图2示意示出注塑机10的一个实施例，所述注塑机10具有固定压台12和活动压台14，上述固定压台12和活动压台14通过电磁夹紧装置(“夹具”)16分别安装在注塑机10上，上述电磁夹紧装置16适合于作为一种快速换模装置工作。在常规工作中，有许多力反抗由夹具16所产生的夹紧力，亦即，由于不正确机器调节所产生的顶杆力13、闭模行程期间的惯性力15、注嘴压力17和开模力19。
为了抵消这些作用和其它产生中断电磁夹紧力的工作情况，在夹紧界面处，亦即在电磁吸持单元110处设置一种如下所述的具有多功能传感系统的电磁夹紧装置。
电磁吸持单元110的一个实施例在图8和9中示出，其中电磁吸持单元110与一个铁磁性工件112形成一种电磁夹紧关系，上述铁磁性工件112相对于安装表面114分开放置，电磁吸持单元110用未示出的合适的紧固装置连接到或关联到上述安装表面114上。工件112可以是整体或部分是可磁化材料组件的整体或一个部件。
电磁吸持单元110一般是围绕中心轴120的圆筒形，并且包括一个外磁极122、一个内磁极124、一个非磁性的隔板125、一个可换向的(可逆的)磁铁126，所述可换向的磁铁126包括一个永磁铁心127和一个螺线线圈128、及一个非可逆的永久磁铁130。一个螺栓在图中未示出，该螺栓贯穿上述各部件的中心，以便保持装配好的关系。外磁极122和内磁极124各具有环形顶部极面，所述外磁极122和内磁极124二者的环形顶部极面位于一个共同平面中，用于与工件接合并磁耦合到工件上。
外磁极122包括一个环形底座132，和一个轴向上延伸的圆筒形套管134。底座132包括一个带螺纹的孔，所述带螺纹的孔与中心轴120同轴，用以固定中心紧固件的带螺纹的端部。套筒134的内部圆筒形表面和底座132的顶部表面140限定一个向上开口的圆筒形空腔。外磁极122由一种铁磁性材料形成。
永磁铁心127由一种合适的低矫顽磁材料如铝镍钴永磁合金(Alnico)形成。永磁铁心127直径小于套管的空腔并与其同轴式对准。永磁铁心127包括一个中心通孔，所述中心通孔与紧固件成一种间隙关系。永磁铁心127具有一个高度，该高度与内磁极结合等于空腔的深度。永磁铁心127被螺线线圈128在外部环绕，这样安排以使可换向的(可逆的)磁铁126相对于套筒具有一种间隙配合。螺线线圈128连接在一个图中未示出的普通电路中，同时电磁吸持单元110用于在图8所示的不活动状态和图9所示的活动状态之间转换，如下所述。
内磁极124是圆筒形，并包括一个中心埋头孔，用于接收紧固件的头部和柄。如图所示，内磁极124具有一个外径，所述外径稍大于永磁铁心127，并与套管134的内表面成一种间隙关系，以便在它们之间限定一个用于接收和安装隔板125和永久磁铁130的环形空间。内磁极124用一种铁磁性材料形成。
永久磁铁130是圆筒形，并通过干涉配合或其它合适的方法连接到内磁极124的外表面上。永久磁铁130具有一个相对于套管内表面的特小间隙滑动配合。永久磁铁130具有一个下面的环形表面和一个上面表面，上述下面的环形表面在轴向上与螺线线圈(初级线圈)128间隔开，而上述上面表面在套管134与内磁极124的顶部表面下方间隔开，以便能接收隔板125。永久磁铁130用永久磁化的材料如钕铁硼形成。
隔板125是圆筒形，并且压缩地保持在套管134和内磁极124之间。隔板用一种非磁性材料如黄铜形成，并用来密封内部防止污染物。在装配时，隔板125、套管134和内磁极124的顶部表面基本上位于一个垂直于中心轴120的共同平面中。
在不活动状态时，永磁铁心127具有一个磁轴，所述磁轴平行于具有一个磁极取向的轴线120，如示意性示出的。永磁铁芯127同样地用一个垂直于轴线120的轴线极化。因此，形成一个内部化的磁路，如通过外磁极122和内磁极124的感应所表示的。各部件和磁性能相互有关以便完全使不活动状态下的磁通量内部化，防止不希望的污染物吸引于其上。
螺线线圈(初线线圈)128用一种常规方法瞬间激励，以便用于形成夹紧工件的活动状态。其中，永磁铁心127的极性相反，形成一个穿过工件的外部化磁路，而有效地将工件夹紧到电磁吸持单元上。通过加一个反向电流到螺线线圈(初级线圈)128上，重新形成不活动状态，使工件与电磁吸持单元110分离。
总结上述电磁吸持单元110的说明，它优选的是包括一个圆筒形外磁极，所述圆筒形外磁极具有一个中心轴，并用一种铁磁性材料形成，上述外磁极包括一个圆形底座和一个圆筒形套管，所述圆筒形套管限定一个从上述底座向外开口的圆筒形空腔；一个可逆的磁单元(可换向磁铁)，位于上述空腔中，上述可逆的磁单元包括一个圆筒形铁心，所述圆筒形铁心具有一个与上述中心轴对准的磁轴和一个在不活动状态时的正常磁极性；一个圆筒形内磁极，由铁磁性材料形成，上述内磁极操作上耦合到上述铁心上，并且径向上向内与上述套管间隔开；一个在上述套管和上述内磁极之间的环形带状构件，所述环形带状构件由一种永久磁性材料制成，该环形带状构件具有与上述中心轴相反的磁极性，并在磁性上与上述铁心的正常磁极性一致，因而在不活动状态下形成通过上述各磁极、上述铁心和永久磁铁的内部磁路，而将上述工件排除在外，其中上述螺线线圈工作以使上述铁心的极性相反，因而在上述各磁极和上述工件之间形成外部磁路。
上述电磁吸持单元110可以应用于各种用途，其中希望将一个铁磁性工件或工具磁耦合到另一个用于运输、夹紧、定位等的装置。电磁吸持单元110可以作为独立的磁性模块或在一组电磁吸持元件110中应用，尤其是适合于磁耦合部件和组件如模具或工具。电磁吸持单元110尤其是可以随机用于在没有来自毗邻装置的磁干扰的情况下夹紧可变的工件构造。试验表明，电磁吸持单元110可以在不干扰或降低磁性能的情况下，以贴合的关系使用。这些试验表明，本电磁吸持单元110的设计代表一个薄层磁通量高度，该薄层磁通量高度围绕电磁吸持单元110的周边均匀地平衡。
下面，将以一个注塑机举例说明一种电磁夹紧装置，尤其是涉及用于优选电磁吸持单元(如上所述)的它的传感装置的一个实施例，但本发明不限于这种类型机器。尤其是，应该注意，这种传感装置可以很容易包括在在耦合工件或工具时所用的不同类型电磁夹紧装置，其中希望避免在提供不足(不充分)电磁夹紧力情况下继续操作。
参见图1、3和5至7，每个夹具(电磁夹紧装置)16都包括一个底板20，所述底板20安装多个如上所述的环形可换向电磁吸持单元110。底板20的耦合表面24一般是平面，并与模具12的配合表面共同延伸。然而，单个底板设计可以处理一族不同构造的模具设计，这些不同构造的模具设计不一定是互补的表面，但足够实施充分的磁耦合用于进行模塑操作。
参见图1和3，传感系统26的一个实施例包括一个运动传感系统27(也叫做运动传感器或运动检测系统)和一个导磁率传感系统28(也叫做磁通量传感器)，一部分安装在与电源32连接的控制器30中，用一个手控模块34操作，并在连接器33通过电缆31操作上与夹具(电磁夹紧装置)16耦合。控制器通过电缆37与模塑机控制系统36接口。
在运动传感系统27的这个实施例中，各电磁吸持单元110的至少其中之一通过加入一个次级或探测线圈40进行改变，上述次级或探测线圈40具有引到连接器33的次级导线42，以便形成一个传感器磁铁单元44。
正如下面所述，运动传感系统27(运动检测系统或运动传感器)检测在模塑期间模具和夹具16之间的运动状态，并且如果检测出过度的运动状态则防止操作。导磁率传感系统28(磁通量传感器)检测在磁化之后的磁导率状态，并且如果检测出不充足的磁性状态则防止模塑操作开始。根据所示的实施例，对运动传感器27和磁通量传感器28采用同样的探测线圈，其中磁通量传感器28测量从去磁化状态到磁化状态磁通量的总变化，而运动传感器27测量磁通量的(负)变化，而不是测量磁通量的绝对水平。
传感器磁铁单元44在它的传感能力上独立操作或是与夹紧方式(磁化的/去磁化的)中的另一些传感器磁铁单元44一致。传感器磁铁单元44位于设计位置处的耦合表面24上，此处过度分开相信是不希望的。合适的位置是比如在邻近模腔的位置处相对。优选的是各位置刚好在由一用于夹具16的最小推荐的模具尺寸限定的区域内。然而，应该注意，传感器磁铁单元44可以在更大量装置内应用。可供选择地，为实现这种功能可以利用各选定传感器磁铁单元的初级线圈(螺线线圈)56。另外，探测线圈40也可以围绕内磁极58设置。
更具体地说，传感器磁铁单元44可以安装在底板20所形成的埋头孔50内，并在耦合表面24处向上开口。传感器磁铁单元44包括一个圆筒形可换向磁铁52，所述可换向磁铁52同轴地设置在埋头孔50的底部处，并且被初级线圈56(螺线线圈)和次级线圈40(探测线圈)环绕。一个铁磁性材料的且直径比埋头孔小的圆形内磁极58装在磁铁52的顶上，并具有一个与耦合表面24共同延伸的上表面60。一个环形永久磁铁62电磁地和机械地耦合在埋头孔50的内壁和内磁极58之间。一个非磁性材料的垫圈64安装在磁铁62的上方与内磁极58和耦合表面24齐平。如上所述，初级线圈56的瞬间通电使磁铁52的极性变反。因此，在一个极性状态下，形成一个内部磁路。在另一个极性状态下，形成通过模具12的一个外部磁路，以便提供一个薄层饱和的磁通量高度。
运动传感系统27是极灵敏的，并且检测模具12离开磁铁底板24的最轻运动。在工作时，模具和底板之间的任何实际分离将提供穿过磁铁52的磁通量减少，并且将根据众所周知的原理在探测线圈40(次级线圈)中感生电压变化。感生的电压将是次级线圈匝数与磁通量相对于时间的变化速率的乘积。因此，可以理解，在一短的时间间隔内小的磁通量变化将产生一个相当大的电压。
探测线圈(次级线圈)40的输出耦合到一个放大器70上，所述放大器70与一个电压比较器72耦合。比较器72耦合到模塑机控制系统36中的一个联锁继电器74上。有利的是，探测线圈输出可以装配低通滤波器，以便帮助防止射频干扰引起不想要的运动传感系统的激活。这可能必须遵守电磁兼容性标准。
比较器72的阈值按常规建立在所希望的水平处。令人满意的阈值已在差不多的14mV左右的最小值处使用。在工作时，如果在探测线圈40中的感生电压在比较器72处从放大器70产生一个输出电压大于选定的阈值，则将机器控制系统36的联锁继电器74反向调整，通过控制系统36产生一个合适的响应，通常防止进一步的运动或过程顺序直至检查到和/或克服了发生紧急状态的状态时为止，并且如果希望的话触发报警器75。
图4A描绘出上述状态，在图4A的上面部分，示出由工件(模具)相对于吸持夹具16(装模压台)运动所产生的可换向磁铁磁通量的变化，在图4A的中间部分示出由检测出的磁通量变化所产生的探测线圈输出，及在图4A的下面部分示出由探测线圈输出所产生的运动传感器的逻辑信号。
正如从示出磁通量随时间变化的曲线(图4A的上面部分)的左面部分可推论出来的，当工件(模具)处于一固定位置时，检测得的磁通量保持恒定不变，正如在时间tM之前的时间线上任何时间点所示出的。在该状态下，探测线圈的电压输出停留在零附近，并且只检测出任何电子电路常有的噪音信号。因此，运动传感器逻辑信号同样保持在一个恒定值处。在本实施例中，在这种情况下(预先)置位为“1”。
如果运动是在tM时于工件和夹具之间发生，(图4A中左面的垂直虚线)，则检测得的磁通量减少，因为工件和夹具之间的距离增加。同样的条件在tM之后的图4A上面部分的曲线中示出。由于检测得的磁通量变化(减少)，所以检测到一个电压信号，亦即从探测线圈得到的负电压输出信号(如在图4A中间部分曲线中tM之后所示)。
应该注意，与这个负电压输出信号无关，运动传感器逻辑信号在TM之后保持恒定不变，直到负电压输出信号达到某一阈值VT时为止。上述阈值VT用图4A中间部分的曲线中水平线示出。在负电压输出信号在时间tS(图4A中右面的垂直虚线)处达到了阈值VT之后，运动传感器逻辑信号发生变化，亦即在本实施例中这种情况下的置位改变到“0”。
因此，如果上述探测线圈中电压输出的减少超过某一(负的)阈值VT，则运动传感器被激活。
本运动传感器系统是极灵敏的。在工作时现已确定，在磁铁52处一个5ms时间范围内磁通量减少3％就产生一个超过上述阈值的电压。另外，阈值可以这样设定，以致不引起模具的可检测的运动的影响将发出紧急状态的信号，因而能及时预测后面有害结果的可能而事先采取补救措施。时常，这样一个灵敏度水平得不到保证，并且可能是指示正常的模具弯曲，或者通过较少的影响不足以产生或预示模具分开的危险。因此，可以将阈值调节到允许这种区分。
有利的是，除了起动紧急状态之外，运动传感器系统可以用来起动来自控制系统的另一个磁化电流输出，以便临时产生一个附加的电磁场。如果这个附加的电磁场在工件与吸盘分开超过某一临界距离之前作用在工件上，则所产生的附加夹紧力将足以将工件拉回吸盘(电磁加紧装置)上，防止其落到地上和使夹紧力恢复到一个安全水平。这有利的是进一步增加了系统的安全性。
在夹紧系统磁化期间，一些状态仍然可能存在损害夹紧系统的导磁率并造成用于起动或保持操作的夹紧力不足。典型的原因是模具材料状态如没有足够的厚度、受损的表面光洁度、材料不规则性、翘曲、上锈、外来材料、模具底座材料的磁性能等，其中任何一种都可以减少夹紧力。本控制系统可以检测由于电气故障而引起的不良磁化作用，但不考虑不足的导磁率状态。
因此，本传感器系统还包括利用导磁率传感系统(磁通量传感器)28的电磁饱和检测模具。该特性与上述运动检测协同进行，因为可用同一检测线圈，但是该检测方法在夹紧时不同于运动检测方法。因此，除了用于运动传感系统，传感器磁铁单元中的次级线圈(探测线圈)还用于确定和区分导磁率。
其中，放大器70的输出耦合到积分器80上。在磁化之前，将积分器调到零。在磁化之后，积分器的输出与磁铁52中的磁通量变化成正比。积分器80的输出耦合到比较器82上。比较器82的阈值设定在一个指示形成足够工作用夹紧力的磁通量的水平处。在这些状态下，启动一个用于允许工作的联锁装置84。如果不满足阈值，则激活报警器75，启动必须在重新夹紧之前检查和解决的一个状态。试验表明，在模具和装模压台及夹具之间的约0.1mm的间隙，足够指出不足的磁通量。作为报警装置的替代物，或者除了报警装置之外，控制器可以自动给夹具去磁。
图4B示出上述状态，该图显示去磁的去耦合状态(不活动状态)与在表示足够夹紧力的阈值上方的磁化的耦合状态(活动状态)之间的磁通量变化率。从去磁状态到磁化状态的磁通量变化构成磁通量传感器的基础。
在最终磁化之前，对两个检测系统(运动传感器/磁通量传感器)来说，重要的是，模具物理上对接吸盘，以便实施饱和磁化。这种关系难以由操作人员目视确定。如果在模具不能接受地远离吸盘的情况下实施磁化，磁路将不饱和，但可以足够静态地保持夹紧关系。然而，这个水平不足以保持正常工作，并且模具易于与机器分离。
在本实施例中，在安装模具期间，耦合在传感器磁铁单元44和控制系统36之间的一个磁铁控制器86开始第一阶段磁化，而不管模具和夹具之间的实际关系。在第一阶段磁化期间，假定模具和夹具之间的距离不过量，则产生足够的力来将模具移动朝向电磁夹具的剩余距离。在足够完成所需的移动的预定的时间之后，开始第二阶段磁化用于最终夹紧。在这个第二阶段磁化之后，如果积分器的输出超过比较器82的阈值，则起动用于允许工作的联锁装置84。如果不超过阈值，则磁铁控制器自动地使夹具去磁并激活报警装置75。这使模具能在试图进一步夹紧工作之前取出和检查。而且，这种自动去磁特点防止夹具在没有模具存在下剩余磁化的可能性。
根据传感装置的一个优选实施例，测量电磁吸持单元中磁通量的探测线圈的检测信号是用于预测装置在一规定工件上(总)夹紧力的目的。夹紧力可以显示或传送到另一个设备(比如注塑机、工业机械人或操纵装置)，以便使该设备能调节它的性能，以致使设备所产生的力超过电磁夹紧力的危险减至最小。
下面将说明利用一个探测线圈测量在这个实施例中所用的磁通量变化的原理。
单个探测线圈产生一个电压输出ε，所述电压输出ε由公式ε＝-Nd/dt规定，式中N是探测线圈上的匝数，d是穿过探测线圈的磁通量变化，dt是磁通量发生变化的时间。
通过将来自探测线圈的电压输出ε积分并除以匝数，可以计算出磁通量的变化。
Δ＝-(∫εdt)/N从这个公式和有关这个磁通量通过的面积的信息，能够估计夹紧力。
上述原理可以应用于任何磁铁构造，并且所用的各探测线圈的位置和数量可以适合于一种特定的应用。
下面是一个涉及一个磁吸盘的特定实施例的说明，上述磁吸盘设计成在注塑机中吸持模具。
磁吸盘根据所建立的电致永久磁性的原理工作。吸盘包括许多电磁吸持单元。
探测线圈可以围绕内磁极(中心磁极)绕制，或是围绕永磁铁心(优选的是Alnico磁铁)绕制，或是围绕初级螺线线圈绕制，或是处于方便测量磁通量变化的另一个位置。
为了预测可以包括任何数量电磁吸持单元的任何工件(模具)上的夹紧力，每个电磁吸持单元上都需要有探测线圈。每个探测线圈都可以独立监测，或者可供选择地它们可以串联连接并将监测到的信号组合。如果是监测来自许多电磁吸持单元的组合信号，则它也可能需要分开监测一个或多个“基准电磁吸持单元”以便能正确地解释组合的信号。
下面说明一个实例，其中一个磁吸盘包括40个电磁吸持单元。两个“基准电磁吸持单元”都包括探测线圈，每个探测线圈都具有10匝，剩余的38个电磁吸持单元每个都具有一匝探测线圈。各探测线圈都围绕每个电磁吸持单元的中心磁极(内磁极)件在NdFeB磁铁上绕制，并因此测量从中心磁极(内磁极)进入模具的磁通量。每个具有10匝的两个“基准”探测线圈串联连接到一个第一积分电路上，上述第一积分电路具有一100倍的增益。另外38个探测线圈通过一个分压器或其它电路串联连接到一个第二积分电路上，以便得到一个20倍的较低总增盖，防止积分电路饱和。
起初吸盘是处于OFF(去磁)状态(不活动状态)，并因此有忽略不计的磁通量穿过探测线圈。
将一个模具安放在吸盘上，所述吸盘包括一定数量的电磁吸持单元。两个“基准电磁吸持单元”完全被模具覆盖。
将积分电路调到零。
将吸盘磁化。
第一积分电路的输出提供一个基准电平。例如，如果积分后的电压是9.5V，则它认为每10匝线圈具有4.75V。
假若探测线圈具有10匝和积分器具有100倍的增益，则可以计算出每匝磁通量的变化是4.75mWb。在这个实例中中心磁极(内磁极)的面积是28.46cm2，并因此磁通密度是1.67T。假定感生的磁极面积相同，则用牛顿(Newton)表示的夹紧力由下式给出F＝B2A/(2μ0)。
式中μ0＝4π×10-7，自由空间(空气)的导磁率。
因此在这个实施例中F＝1.672×(2×28.46×10-4)/(2μ0)＝6316N假定每个被覆盖的电磁吸持单元都具有一匝，则探测线圈将具有相同的磁通量变化，并因此一个积分输出为0.095V(具有20倍的增益)。将来自每个电磁吸持单元的信号组合，以使第二积分器的输出电压是各单个输出的加和，通过用这个数字，因此，能计算出所覆盖的电磁吸持单元的总数。因为每个电磁吸持单元的夹紧力已经计算出来，因此，能计算出总的夹紧力。
例如，如果第二积分器的电压输出是2.47N，则所覆盖的附加电磁吸持单元的数量＝2.47/0.095＝26。因此在两个基准电磁吸持单元的情况下，总计覆盖28个电磁吸持单元。
现在可以计算出总夹紧力为6316×28＝176.8KN。
实际上可能是模具只部分地覆盖某些电磁吸持单元。磁通量和夹紧力不与所覆盖的面积直接成正比，并因此在计算时可能造成某些误差。在用来计算夹紧力的算法中可以把这点考虑进去，或者可以用从实验测试所得到的数据表来进一步改进计算。另外对控制系统来说，可以有关于电磁吸持单元配置的信息及用这个信息与磁通量读数结合，以便进一步计算有关有多少电磁吸持单元完全被覆盖和有多少电磁吸持单元部分被覆盖的信息。
另外，为了自动地计算由于温度变化而造成的夹紧力的任何变化，控制系统可以监测电磁夹紧装置的温度。有利的是，这增加了在机器的整个工作周期内所显示的和/或传递给机器的力的精度。上述磁通量传感系统测量未夹紧状态和夹紧状态之间的磁通量变化，并根据那个磁能量计算一个力。然而，在一段时间内，夹紧装置的温度可能由于热传递(例如从模具和注嘴)而增加，这可能导致磁铁(尤其是NdFeB)的磁通量输出减少及相应的夹紧力减少。通过监测温度，夹紧力的显示和/或传送到机器的信息可以连续地更新。此外，监测温度是有利的，因为如果系统的温度超过一个临界水平，则可能会发生不可逆的损坏(尤其是对NdFeB磁铁)，并且那样可以用控制系统来起动一个防止热输入的紧急状况，直至当温度回落到低于某个水平时为止。可供选择地，这种热保护可以用其它的热传感器如一个热开关和/或热熔断器更简单地达到目的。
可能有一种关心是只有逐渐的变化，如由于温度逐渐增加而引起的变化，将只感生一个很小的电压。因此，在某些特定情况下，用上述探测线圈连续监测磁通量的绝对水平可能不完全够，因为检测得的很小的电压几乎不能与电子电路中固有的噪声电压区别开，上述噪声电压造成积分器电路的输出逐渐漂移。这种特殊情况将在电磁夹紧装置的另一个实施例中论述，所述电磁夹紧装置的另一个实施例包括若干磁传感单元，这些磁传感单元用与上述传感单元相同的方式工作，但对夹紧力没有显著影响。这意味着它们可以在任何时间去磁和磁化，以便测量与那时的磁路(内部/外部的)状态有关的磁通量变化。
有利的是，这考虑到了由于增加温度及任何其它变化如工件与吸盘的逐渐分离所引起的磁铁性能降低，从而能在机器的整个工作时间周期内显示和/或传送给机器更准确的夹紧力值。
上述说明公开了一种用于确定磁铁吸持单元之间可以接受的磁化作用的传感器系统，上述磁铁吸持单元具有一个在工件处产生电磁夹紧力的可换向磁铁，上述传感器系统包括线圈装置，所述线圈装置与上述可换向磁铁磁耦合，用于根据磁铁和工件之间的涉及上述电磁夹紧力变化的磁通量状态，实施一个电压输出；及控制装置，所述控制装置耦合到上述输出上，用于根据上述磁通量状态的变化提供一个控制信号。
上述控制装置优选的是如果上述磁通量状态的变化超过一个阈值，则产生上述控制信号，其中上述控制装置可以包括用于改变上述阈值的装置。
此外，上述可换向磁铁可以包括一个初级线圈，及上述线圈装置可以包括一个次级线圈，所述次级线圈围绕上述初级线圈。
可以提供一种电磁夹紧装置，所述电磁夹紧装置包括多个带可换向磁铁的电磁吸持单元，上述多个电磁吸持单元的至少其中之一包括上述次级线圈。然而，优选的是某些或全部带可换向磁铁的电磁吸持单元都包括一个次级线圈。
优选的是，上述工件是用于注塑机的一个模具部件，所述注塑机具有一个模腔，和上述电磁吸持单元具有若干可换向的磁铁，及上述次级线圈靠近上述模腔设置。其中上述磁通量状态的变化用作上述工件和上述磁铁吸持单元之间分开运动的指示，并且上述阈值低于磁通量状态，上述磁通量状态把上述夹紧力降低到低于保持上述磁铁装置和上述工件之间的接触的水平。尤其是，如果一个负的感生电压超过运动传感器阈值，并且当经过积分的磁通量值不回落到低于磁通量传感器阈值时，确定这些分开运动。
优选的是，上述控制装置包括放大器装置和比较器装置，上述放大器装置包括一个用于上述控制信号的输入和一个经过放大的输出，而上述比较器装置具有一个用于上述经过放大的输出的输入，如果上述经过放大的输出高于上述阈值，比较器装置产生上述控制信号。
另外优选的是上述控制装置确定在上述次级线圈处的磁通量状态，及如果未达到一个阈值则产生上述控制信号，其中上述控制装置可以确定在一个用于可换向磁铁的去磁状态和一个用于可换向磁铁的磁化状态之间的磁通量变化水平，并且如果未达到上述阈值则产生上述控制信号，及其中上述控制装置可以包括重新设定的积分器装置和比较器装置，上述重新设定的积分器装置用于接收上述输出，并且根据上述磁通量变化产生一个输出，而上述比较器装置接收上述输出，并且如果未达到上述阈值则产生上述控制信号。
传感器系统还可以包括一个工件控制器，所述工件控制器与上述控制信号耦合，用于根据上述控制信号控制上述工件的活动。如果上述控制信号不表现出一个阈值，则上述工件控制器还可以起动一个报警器装置。此外如果上述控制信号不表现出一个阈值，则上述工件控制器可以进一步消除上述工件的活动。而且，如果上述控制信号达不到基于上述磁通量状态的阈值，则工件控制器可以进一步消除上述工件的活动。最后，如果上述控制信号超过一个基于上述磁通量变化的阈值，则上述工件控制器也可以进一步消除上述工件的活动。
上述说明，还公开了一种用于注塑机的一个模具的电磁夹紧系统，所述电磁夹紧系统包括一个磁铁装置，所述磁铁装置具有一个夹紧表面，上述夹紧表面用于在一个夹紧界面处接合上述模具；多个在上述磁铁装置上的可换向永久电磁铁，所述可换向永久电磁铁用于在上述夹紧界面处形成一个电磁夹紧力，上述电磁铁包括一个线圈构件；一个运动检测器传感器系统，该运动检测器传感器系统操作上与上述电磁铁至少其中之一有关，并包括第一装置，所述第一装置用于确定在上述夹紧界面处磁通量状态的变化，并且如果超过一个阈值则产生一个第一告警信号；一个导磁率传感器系统，所述导磁率传感器系统操作上与上述电磁铁的至少其中之一有关，并包括第二装置，所述第二装置用于确定在上述去磁状态和磁化状态之间处磁通量的变化，并且如果未达到上述阈值则产生一个第二警告信号；以及控制器装置，所述控制器装置用于接收上述警告信号并根据警告信号确定上述注塑机的持续活动。
上述电磁夹紧装置可以包括用于起动上述磁铁装置的第一磁化作用、停止上述第一磁化作用及在上述停止之后起动所述磁铁装置的第二磁化作用的装置。其中，双磁化作用不一定是传感器系统的一种功能，而是在每种情况下不管测得的磁通量的通常做法。第一磁化作用起作用，以保证工件(模具)与吸盘合适接触，以达到第二磁化作用的最佳状态。然后，第二磁化作用在那些最佳状态下磁化Alnico磁铁，以使由Alnico所产生的磁通量最大。所测得的磁通量变化是两个磁化作用周期相合并的结果。
上述说明此外公开了一种方法，所述方法用于在一个电磁夹紧装置和一个工件之间的界面处在工作期间保持足够的磁力，上述方法包括以下步骤在上述夹紧装置中上述界面附近安放一个电感线圈；在上述工作期间检测上述线圈中磁通量的变化；如果上述磁通量变化超过一个阈值，则产生一个第一报警条件；在上述工作之前检测上述线圈中的磁通量水平；及如果上述磁通量水平达不到一个阈水平则产生一个第二报警条件。
权利要求
1.一种电磁夹紧装置，具有至少一个电磁吸持单元，上述电磁吸持单元包括可换向磁铁和传感装置，上述可换向磁铁在工件处产生电磁夹紧力，其中上述传感装置包括探测线圈，所述探测线圈适合于提供指示磁通量的检测信号，上述检测信号适用于至少近似地确定施加在待夹紧工件上的夹紧力。
2.根据权利要求1的电磁夹紧装置，其特征在于探测线圈磁耦合到上述可换向磁铁上，用于根据可换向磁铁和工件之间的涉及上述电磁夹紧力变化的磁通量状态实施电压输出。
3.根据权利要求2的电磁夹紧装置，其特征在于计算装置耦合到探测线圈上，用于根据上述磁通量状态变化提供输出信号，其中上述计算装置包括至少一个连接到探测线圈上的积分电路和/或控制装置，所述控制装置耦合到探测线圈上，用于根据上述磁通量状态的变化，尤其是磁通量随时间变化的速率和/或导磁率的变化提供控制信号。
4.根据权利要求1-3至少其中之一的电磁夹紧装置，其特征在于电磁吸持单元还包括外磁极，所述外磁极具有中心轴并用铁磁性材料形成，上述外磁极包括底座和套管，所述套管限定从上述底座向外开口的空腔，其中上述可换向磁铁设置在上述空腔内，并包括初级螺线线圈和永磁铁心，所述永磁铁心具有与上述中心轴线对准的磁轴和正常的处于不活动状态的磁极性。
5.根据权利要求4的电磁夹紧装置，其特征在于电磁吸持单元还包括圆筒形内磁极和带状构件，所述内磁极由铁磁性材料形成，内磁极操作上耦合到上述永磁铁心上，并与上述套管径向向内间隔开，所述带状构件在上述套管和上述内磁极之间，其中上述带状构件由永磁材料形成，所述永磁材料具有与上述中心轴相反的磁极性，并与永磁铁心的磁极性磁性一致。
6.根据权利要求5的电磁夹紧装置，其特征在于在不活动状态下，内部磁路穿过上述内磁极和外磁极、上述永磁铁心和上述带状构件形成，而在活动状态下，外部磁路与可换向磁铁极性相反的初级螺线线圈在内磁极、外磁极与工件之间形成。
7.根据权利要求5或6的电磁夹紧装置，其特征在于探测线圈环绕初级螺线线圈或内磁极。
8.根据权利要求1-7至少其中之一的电磁夹紧装置，其特征在于至少一个或多个另外的电磁吸持单元，所述另外的电磁吸持单元分别包括可换向磁铁，所述可换向磁铁在工件处对电磁夹紧力作出贡献。
9.根据权利要求8的电磁夹紧装置，其特征在于另外的电磁吸持单元的至少一个或某些或全部都包括传感装置，其中每个上述传感装置包括探测线圈，所述探测线圈适合于提供指示磁通量的检测信号，上述检测信号适用于至少近似地确定夹紧力，所述夹紧力通过各电磁吸持单元施加在待夹紧的工件上。
10.根据权利要求9的电磁夹紧装置，其特征在于不同电磁吸持单元的传感装置的探测线圈的匝数在不同的电磁吸持单元之间不同，其中至少一个探测线圈包括比各其它探测线圈高得多的匝数。
11.根据权利要求9或10的电磁夹紧装置，其特征在于各电磁吸持单元的探测线圈都单独监测，其中各探测线圈连接到计算装置和/或控制装置的各个积分电路上，或者各电磁吸持单元的探测线圈串联连接并监测组合的信号，其中组合的探测线圈连接到第一积分电路，其中至少一个电磁吸持单元作为基准分开监测，因为它连接到第二积分电路。
12.根据权利要求11的电磁夹紧装置，其特征在于第一积分电路的增益与第二积分电路的增益不同。
13.根据权利要求9-12至少其中之一的电磁夹紧装置，其特征在于包括传感装置的所述电磁吸持单元的至少一个是可去磁和可磁化的，而不管用于检测夹紧状态的夹紧状态，尤其是不管该另外的电磁吸持单元的夹紧力和不管电磁夹紧装置的磁路状态。
14.根据权利要求1-13至少其中之一的电磁夹紧装置，其特征在于夹紧力用显示装置显示和/或夹紧力传送到另一个设备，该另一设备尤其是注塑机，其中该另一个设备的作用是对检测到的夹紧力调节。
15.根据权利要求1-14至少其中之一的电磁夹紧装置，其特征在于上述工件是用于注塑机的模具部件，所述注塑机具有模腔，及上述具有探测线圈的可换向磁铁靠近上述模腔设置。
16.一种用于检测和控制电磁夹紧装置工件状态的方法，包括以下步骤将至少一个感应探测线圈(40)安放在上述电磁夹紧装置(16)中，通过监测来自至少一个探测线圈(40)的电压输出来检测电磁夹紧装置(16)工作期间在上述探测线圈(40)中磁通量的变化，及根据上述磁通量的变化估计电磁夹紧力。
17.根据权利要求16用于检测和控制工作状态的方法，其特征在于根据测得的磁通量负变化确定工件和电磁夹紧装置(16)之间的运动状态，其中如果检测到过度的运动状态则阻止工作和/或根据从去磁状态到磁化状态磁通量的总变化确定夹紧状态尤其是电磁夹紧力，其中如果检测到不够的夹紧状态，则阻止工作开始。
18.根据权利要求16或17的用于检测和控制工作状态的方法，其特征在于磁通量是连接监测的，及电磁夹紧力是根据监测到的磁通量连续地计算的。
19.根据权利要求16-18至少其中之一的用于检测和控制工作状态的方法，其特征还在于以下步骤如果上述磁通量变化或电磁夹紧力超过一个阈值则产生第一报警条件，和/或在上述工作之前检测在上述探测线圈中磁通量或电磁夹紧力的水平，并且如果所述磁通量或电磁夹紧力的水平未达到一个阈水平则产生第二报警条件。
20.根据权利要求16-19至少其中之一的用于检测和控制工作状态的方法，其特征在于测量电磁夹紧装置(16)的温度，用于自动计算由温度变化所产生的夹紧力变化。
21.根据权利要求16-20至少其中之一的用于检测和控制工作状态的方法，其特征在于如果检测到在工件和电磁夹紧装置(16)之间的运动，则起动另一个磁化电流输出，用于临时产生附加的电磁场。
全文摘要
本发明公开了一种电磁夹紧装置和一种用于检测电磁吸持装置的工作状态的方法，所述电磁夹紧装置具有至少一个电磁吸持单元，该电磁吸持单元包括一个可换向的磁铁和一个传感装置，所述可换向的磁铁在一个工件处产生一个电磁夹紧力，其中上述传感装置包括一个探测线圈，所述探测线圈适合于提供一个指示磁通量的检测信号，上述检测信号适用于至少近似地确定一个施加在待夹紧工件上的夹紧力。
文档编号B29C45/17GK1543388SQ02815976
公开日2004年11月3日 申请日期2002年4月3日 优先权日2001年7月26日
发明者M·A·约翰逊, S·C·巴顿, M A 约翰逊, 巴顿 申请人:施托布利技术系统公司