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Für die Begrenzung von Bewegungen aller Art, als Zählschalter, als
Steuerrelais od. dgl. werden heute vielfach mechanisch arbeitende Endschalter verwendet,
bei denen durch Bewegung einer Rolle mit Schubstange oder Hebel Schaltelemente betätigt
werden. Der Nachteil dieser Schalter besteht vor allem darin, daß sich die bewegten
Teile abnutzen und dadurch die Schalter nach einer gewissen Betriebszeit unbrauchbar
werden. Weit häufiger ist noch der Ausfall dieser Schalter infolge Korrosion der
Schaltelemente durch eindringende Feuchtigkeit, bzw. agressiver Dämpfe und Gase,
wobei es häufig dazu kommt, daß die Schalter unfallgefährliche Berührungsspannungen
aufweisen.
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Dies führte zur Konstruktion berührungsfreier und vollkommen gekapselter
Schalter, die von Magneten geschaltet werden. Hierzu ist jedoch eine Ausrüstung
der in der Bewegung zu begrenzenden Maschinen, der zu zählenden Stücke oder zu steuernden
Teile mit Schaltmagneten erforderlich. Die Anbringung dieser Schaltmagnete ist aber
nicht nur zeitraubend, sondern bei Bearbeitungsmaschinen auch unzweckmäßig, da sich
an den Schaltmagneten Stahlspäne ansetzen und folglich die Schaltvorgänge beeinflussen
oder die Schaltelemente vorzeitig zerstören.
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Eine weitere Entwicklung sieht daher vollkommen gekapselte Schaltelemente
vor, bei denen Schwingungen durch zwischengeschobene Eisenteile gestört werden und
folglich Schaltvorgänge bewirken. Der Nachteil der hierunter bekannten Schalter
besteht darin, daß die einzelnen Steuerteile mittels abgeschirmter und abgeglichener
Kabel verbunden sein müssen, deren Aufwendigkeit auch zusätzlich eine ungenaue Arbeitsweise
beinhaltet.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei Annäherung eines Metallteiles,
einer Metallfolie, eines Metallüberzugs od. dgl. an einen im Tastkopf eingebauten
Magnetkern durch die in demselben auftretende Magnetflußänderung sich die Größe
des Rückkopplungsfaktors einer selbstschwingenden, hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe
derart verändert, daß dadurch zwangläufig die Resonanzbedingungen unterschritten
werden und die Eigenschwingungen dieser hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe
aussetzen. Der Beeinflussungsabstand kann durch die mechanische Ausführung der Kopplungsspulen
und durch den Abgleich des Rückkopplungsstromes mittels einem einstellbaren Widerstand
vorbestimmt werden, so daß der Näherungsschalter für präzise Schaltvorgänge bei
kleinen Toleranzen einsetzbar ist.
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Die Impulse der selbstschwingenden, hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe
steuern eine nachgeschaltete Schaltverstärkerstufe derart, daß deren Leitfähigkeitszustand
über einen Impuls-Integrierkreis einen Endstufentransistor sperrt. Setzen die Schwingungen
der hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe aus, so wird hierdurch die nachgeschaltete
Schaltverstärkerstufe gesperrt und durch deren ausfallenden Kollektor-Emitterstrom
die Basissperrspannung des Endstufentransistors aufgehoben, so daß derselbe impulsartig
in den Leitfähigkeitszustand gesteuert wird, wobei die Wicklung eines in seinem
Kollektorkreis angeordneten Schaltrelais stromführend wird, so daß dessen Schaltkontakte
die gewünschte Information in nachgeschaltete, technische Einrichtungen einspeichern
können.
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Um den Näherungsschalter gegenüber Schwankungen im Versorgungsnetz
unempfindlich zu machen, ist der Betriebsstrom mittels zweier Zuleitungen über einen
Brückengleichrichter zugeführt, durch einen parallel geschalteten Siebkondensator
geglättet und mit einem Vorwiderstand und in Reihe geschalteter Zenerdiode auf die
für den störungsfreien Betrieb erforderliche, gleichmäßige Spannung stabilisiert,
die unterhalb der möglichen Netzmindestspannung liegt.
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Mittels einer Spannungsgegenkopplung, einer Stromgegenkopplung, letztere
aus einem Heißleiter mit negativem Temperaturbeiwert bestehend, ist der Arbeitspunkt
der selbstschwingenden, hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe gegen Temperaturschwankungen
stabilisiert.
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Als Schaltrelais ist für Schaltungen bis zu 500 pro Sekunde ein Schutzgaskontaktrelais
eingesetzt und für Schaltimpulse bis zu 26 000 pro Sekunde ein elektronischer Ausgang
vorgesehen.
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Die gesamte Schaltplatine ist in eine den Anforderungen entsprechende,
wasserdichte, korrosionsfeste und berührungssichere Vergußmasse eingegossen, wodurch
gleichzeitig die Bauteile und deren Verbindungen schwingungsfrei und bruchsicher
gelagert sind. Zum Schutz gegen mechanische Beschädigungen und zur Abschirmung gegen
elektrische und magnetische Streufelder ist das gesamte Bauteil mit Ausnahme des
Tastkopfes mit einem Eisenmantel umgeben. Dieses Gehäuse weist nach unten geprägte
Befestigungslöcher an Befestigungsflanschen auf, die eine einwandfreie Montage gewährleisten.
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Die Anschlußleitungen sind entweder zugentlastet in einem Kabelanschluß
eingegossen oder an einen vierpoligen Klemmanschluß geführt, mit Schutzschläuchen
od. dgl. gegen Feuchtigkeit geschützt.
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Der Näherungsschalter ist entweder direkt oder über Hilfskontaktschienen
od. dgl. steuerbar, wobei die Kontaktschienen so angebracht sind, daß diese ein
Metallteil derart in die Nähe des Tastkopfes bringen, daß der Beeinflussungsabstand
eingehalten oder unterschritten wird.
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Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es
zeigt F i g. 1 das Schaltbild eines Näherungsschalters, F i g. 2 die Seitenansicht
eines Näherungsschalters, F i g. 3 die Draufsicht auf den Näherungsschalter nach
F i g. 2, F i g. 4 die Vorderansicht des Näherungsschalters nach F i g. 2 und 3,
F i g. 5 die Vorderansicht des Näherungsschalters mit aufgeschraubter Verschlußkappe
und Marine-Kabelverschraubungen, F i g. 6 die Draufsicht auf den Näherungsschalter
nach F i g. 5, F i g. 7 die schematische Darstellung einer Arbeitsmaschine mit Näherungsschaltern,
F i g. 8 der Einsatz eines Näherungsschalters als Zähl- oder Steuerorgan, F i g.
9 der Einsatz eines Näherungsschalters in Verbindung mit einem Schaltbügel, F i
g. 10 der Einsatz eines Näherungsschalters nach F i g. 9 mit geöffnetem Schaltbügel
bzw. Schaltkontakt.
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F i g. 1 zeigt das Schaltbild des Näherungsschalters, dessen Betriebsstrom
über die Leitungen 1 und 2 dem Brückengleichrichter 3 zugeführt, mit einer Spannungsteilerschaltung
aus Vorwiderstand 4 und Zenerdiode 5 stabilisiert und mittels eines Siebkondensators
6 geglättet wird.
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über eine Spannungsgegenkopplung aus Vorwiderstand
7
und Kondensator 8 ist die selbstschwingende, hochfrequente Transistor-Oszillatorstufe
12 angeschaltet, deren Schwingfrequenz von einem Kollektor-LC-Schwingkreis
10, 11 bestimmt wird und deren Resonanzbedingung durch den phasengleichen Rückkopplungsfaktor
einer im Basiskreis angeordneten Rückkopplungsspule 10 erfüllt ist.
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Der Arbeitspunkt der selbstschwingenden, hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe
12 ist durch einen Stromgegenkopplungswiderstand 13 im Emitterkreis, eine Spannungsgegenkopplung,
bestehend aus einem Festwiderstand 7 und einem HF-Kondensator 8, stabilisiert.
Die Basisspannung wird einem Spannungsteiler aus reihengeschalteten Widerständen
14 und 15 entnommen und zusätzlich von einer Temperaturgegenkopplung, bestehend
aus einem Festwiderstand 17 und einem reihengeschalteten Heißleiter 16 mit
negativem Temperaturbeiwert, geregelt, um Arbeitspunktänderungen infolge der Betriebstemperatur
ausgleichen zu können.
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Bei unbeeinflußtem Magnetkern 9 im Tastkopf 36 werden die von der
selbstschwingenden, hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe 12 erzeugten positiven
Imuplse über einen Koppelkondensator 23 der nachgeschalteten Schaltverstärkerstufe
20 zugeführt, deren Basisspannung hierdurch positiv wird und somit den Transistor
20 in den Leitfähigkeitszustand steuert. Die Impulsfolge ist über den Kollektorwiderstand
22,
den Transistor 20 und den Summenemitterwiderstand 29 auf einen
nachgeschalteten Impuls-Integrierkreis, bestehend aus dem Kondensator 21 und den
Basiswiderständen 27 und 28 so wirksam, daß die Basisspannung des Endstufentransistors
26 unterhalb der Durchbruchsspannung liegt. Der Endstufentransistor 26 ist daher
gesperrt, so daß im Schutzgaskontaktrelais 30 kein Wicklungsstrom wirksam ist und
dessen Kontakte sich somit in Ruhestellung befinden.
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Bei Annäherung eines Metallteiles, einer Metallfolie, eines Metallüberzuges
od. dgl. 42, 51, 53, 57,64
an den im Tastkopf 36 eingebauten Magnetkern 9
unterhalb eines bestimmbaren Beeinflussungsabstandes a verändert sich der Magnetfluß
des Magnetkernes 9 derart, daß hierdurch die Größe des Rückkopplungsfaktors sich
unterhalb der Resonanzbedingungen verringert und folglich die Eigenschwingungen
der selbstschwingenden, hochfrequenten Transistor-Oszillatorstufe 12 aussetzen.
Bei der nachgeschalteten Schaltverstärkerstufe 20 ist nunmehr nur die Basisruhespannung
wirksam, die folglich diese Transistorstufe 20 in den Sperrzustand steuert.
Der aussetzende Kollektorstrom der Schaltverstärkerstufe 20 bewirkt einen positiven
Anstieg der Basisspannung des Endstufentransistors 26 über den Impuls-Integrierkreis
21, 27, 28, während der gleichzeitig aussetzende Emitterstrom der Schaltverstärkerstufe
20 den Spannungsabfall am Summenemitterwiderstand 29 aufhebt. Hierdurch gelangt
der Endstufentransistor 26 impulsartig in den Leitfähigkeitszustand, dessen Emitter-Kollektorstrom
die Wicklung des Schutzgaskontaktrelais 30 durchfließt und hierdurch dessen
Kontakte 31 in den Arbeitszustand steuert.
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Die Ruhestellung des Näherungsschalters wird beim Entfernen des Metallteiles
od. dgl. 42, 51, 53, 57, 64 aus dem Beeinflussungsabstand a des im Tastkopf 36 eingebauten
Magnetkernes 9 infolge der erneut einsetzenden Selbsterregung der hochfrequenten
Transistor-Oszillatorstufe 12 erzielt. Die hierbei in der Wicklung des Schutzgaskontaktrelais
30 auftretende Induktionsspannung wird über die Löschdiode 34 niederohmig kurzgeschlossen
und somit unwirksam.
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Der Beeinflussungsabstand a für die Schaltschwelle kann durch die
mechanische Ausführung der Kopplungsspulen 10,18 und durch den Abgleich des
Rückkopplungsstromes mittels einem einstellbaren Widerstand 19 vorbestimmt werden,
da die Resonanzbedingungen im Kausalzusammenhang zum Rückkopplungsfaktor stehen.
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Für Schaltgeschwindigkeiten zwischen 500 und 26 000 Schaltungen in
der Sekunde wird das Schutzgaskontaktrelais 30 durch einen elektronischen
Ausgang für nachgeschaltete, technische Einrichtungen ersetzt.
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Die F i g. 2 bis 4 zeigen einen Näherungsschalter, dessen Schaltelemente
einschließlich des Schutzgaskontaktrelais 30 berührungssicher in einer Vergußmasse
35 eingebettet und mit Ausnahme des Tastkopfes 36 mit einem Eisenmantel 37 und einer
Grundplatte 38 umgeben sind. In der Grundplatte 38 sind vier Befestigungslöcher
39 vertieft eingepreßt bzw. gestanzt, womit eine gute Auflage am Montageort erreicht
wird. Gegenüber dem Tastkopf 36 ist ein Kabelverschluß 40 angebracht, der die Befestigung
von Stahlschutzschläuchen erlaubt. Das Anschlußkabel 41 ist in der Vergußmasse 35
wasserdicht eingebettet und zugentlastet. Dieses Kabel enthält vier Adern, die Versorgungsleitungen
1 und 2 für den Betrieb des Näherungsschalters und die Steueradern
32 und 33 für die Informationsübertragung. Die Schaltwelle des Näherungsschalters
wird erreicht, wenn sich das Metallteil 42 im Beeinflussungsabstand a vom Tastkopf
36 befindet.
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Die F i g. 5 und 6 zeigen eine schwere Ausführung des Näherungsschalters.
Die Schaltelemente sind hier ebenfalls in einer Vergußmasse eingebettet. Der Tastkopf
44 mit dem eingebauten Magnetkern 9 befindet sich an der Vorderseite,
während die Rückseite mit den Klemmkontakten durch eine Stahlblechkappe
45
abgedeckt und mittels Schrauben 46 und einer Dichtung 47 wasserdicht verschlossen
ist. Die Kabel werden einzeln durch Kabelverschlüsse 48 wasserdicht eingeführt.
Für die Montage des Näherungsschalters sind zwei Befestigungslöcher 50 vorgesehen,
die innerhalb der Vergußmasse 43 mit Metallröhrchen verstärkt sind.
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F i g. 7 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Näherungsschalters als Endschalter
an einer Arbeitsmaschine, deren Schlitten 53 auf dem Gleitbett zwischen den Endpunkten
eines Weges s von den beiden Näherungsschaltern 54 und 55 wechselweise gesteuert
wird.
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F i g. 8 zeigt ein Anwendungsbeispiel für einen Näherungsschalter
58 als Zählschalter bei einem Transportband mit vorbeilaufenden Blechdosen
57.
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F i g. 9 und 10 zeigen ein Anwendungsbeispiel für Näherungsschalter
65 als Steuerkontakt bei Flaschenetikettiermaschinen. Hierbei wird der Näherungsschalter
65 durch einen federnden Hilfsbügel 61 mit aufgesetztem Metallteil 64 betätigt.