Gegenstand der Erfindung ist eine Montagevorrichtung und ein Verfahren zum Befestigen eines zylinderartig ausgebildeten Sensors an einer Ausnehmung eines Maschinenteils gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7.

Zylindrische Gehäuse sind in der Sensorik weit verbreitet. Insbesondere in der Distanz- und Positionssensorik werden häufig zylindrische Kunststoff- oder Metallgehäuse bzw. Hülsen mit normierten Aussengewinden oder mit einem glatten Zylindermantel verwendet. Stirnseitig können solche Hülsen z.B. durch eine frontbündige oder vorstehende Kappe aus Kunststoff abgeschlossen sein. Hinter dieser Kappe sind ein oder mehrere Sensorelemente wie z.B. Fotodioden oder ein- oder zweidimensionale CCD- Arrays bei optischen Sensoren, von aussen bedämpfbare Spulen bei induktiven Näherungssensoren, Transducer bei Ultaschallsensoren, Plattenelemente bei kapazitiven Sensoren, Magentefeidmessende Elemente oder andere in der Sensorik verwendete Elemente angeordnet. Die Kappe ist so ausgestaltet, dass sie einerseits einen optimalen Schutz des Sensorelementes gewährleistet und andererseits für die vom Sensorelement zu erfassende Messgrösse keine oder nur eine geringe Dämpfung aufweist. Die Kappe kann auch in das Sensorgehäuse integriert sein, sodass dieses die Form einer vorn geschlossenen Hülse hat. Den Abschluss der rückseitigen Öffnung der Hülse bildet in der Regel ein Kunststoffteil mit einer Durchtrittsöffnung für ein Anschlusskabel oder mit einem Anschlussstecker. Weitere Öffnungen z.B. für optische Anzeigeelemente und/oder für

Einstellelemente können ebenfalls vorgesehen sein. Innerhalb der Hülse ist auf einer starren oder flexiblen Leiterplatte bzw. Leiterplattenfolie bzw. auf einem Print die Verstärkungs- und Auswerteelektronik untergebracht. Die Montage solcher Sensoren an einem Werkstück bzw. einem Maschinenteil, beispielsweise an einem Montageblech oder an einem Metallblock mit ähnlichen Abmessungen wie die Länge des Sensors, kann gewisse Probleme mit sich bringen: Sensoren mit einem Aussengewinde werden in der Regel in eine Bohrung am Werkstück eingeführt und beidseitig mittels Muttern am Werkstück festgeschraubt oder in ein Gewinde am Werkstück geschraubt und mit einer Mutter gesichert Dazu sind entsprechende Werkzeuge erforderlich. Nicht immer lassen es die Platzverhältnisse zu, dass die Sensorhülse beidseitig des Werkstücks zugänglich ist. Eine Justierung der Lage des Sensors in Bezug auf das Werkstück oder auf ein zu erfassendes Referenzobjekt ist oft nur schlecht oder gar nicht möglich. Bei Sensoren mit glatten Hülsen müssen von Fall zu Fall geeignete alternative Befestigungsmethoden gefunden werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Montagevorrichtung und ein Verfahren zum Befestigen von Sensoren an einem Maschinenteil zu schaffen, wobei eine Montage von einer Seite her möglich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Montagevorrichtung und durch ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung können Sensoren innerhalb von Maschinenteilbohrungen ausgerichtet bzw. justiert und befestigt werden. Die Verbindung erfolgt

durch eine kraftschlüssige Klemmverbindung zwischen einer Montagehülse bzw. einem in geeigneter Weise ausgebildeten Sensorgehäuse und einer in die Bohrung einführbaren Büchse. Die Verbindung ist in den meisten Fällen ohne Werkzeuge herstellbar und wieder lösbar. Je nach

Ausgestaltung kann eine Montagehülse vorgesehen sein, die zur Aufnahme von zylinderartigen Sensoren ausgebildet ist, oder aber ein speziell ausgebildetes Kunststoffgehäuse, welches direkt innerhalb der in die Bohrung eingesetzten Büchse ausgerichtet und befestigt werden kann.

Mit den erfindungsgemässen Montagevorrichtungen können Sensoren einfach, effizient und kostengünstig an Maschinenteilen befestigt werden.

Anhand mehrerer Figuren werden einige Ausführungsbeispiele der Montagevorrichtung näher beschrieben. Dabei zeigen

Figur Ia eine Ansicht einer Büchse einer ersten Ausgestaltung der Montagevorrichtung,

Figur Ib eine Ansicht einer in die Büchse aus Figur Ia einführbaren Montagehülse, die zugleich als Sensorgehäuse dient,

Figur Ic eine Ansicht der in die Büchse eingesetzten Montagehülse aus Figur Ib,

Figur 2a eine Aufsicht auf die Büchse aus Fig. Ia, Figur 2b eine Seitenansicht der Büchse aus Fig. Ia, Figur 3a eine Aufsicht auf die Montagehülse aus Fig.

Ib,

Figur 3b eine Seitenansicht der Montagehülse aus Fig. Ib,

Figur 4 eine Aufsicht auf die in die Büchse eingesetzte Montagehülse aus Fig. Ib,

Figur 5a eine Ansicht einer Büchse einer zweiten Ausgestaltung der Montagevorrichtung, Figur 5b eine Ansicht einer in die Büchse aus Figur 5a einführbaren Montagehülse,

Figur 5c eine Ansicht der in die Büchse eingesetzten Montagehülse aus Figur 5b,

Figur βa eine Aufsicht auf einen zweiteiligen Verbund aus einer Montagehülse und einer Büchse mit konischen Kontaktflächen bei einer weiteren Ausführungsform der Montagevorrichtung,

Figur 6b einen Längsschnitt entlang der Linie A-A des Verbundes aus Figur βa, Figur βc einen Längsschnitt entlang der Linie B-B des Verbundes aus Figur 6a, Figur 6d eine Ansicht der Montagevorrichtung aus den Figuren 6a-c, wobei die Büchse und die Montagehülse zusammengepresst sind,

Figur 7a eine Ansicht einer Büchse einer weiteren Ausgestaltung der Montagevorrichtung, Figur 7b eine Ansicht einer in die Büchse aus Figur 7a einführbaren Montagehülse, Figur 7c eine Ansicht eines mit den Montageelementen aus den Figuren 7a und 7b in einer Bohrung eines Maschinenteils befestigten Sensors.

Die Figuren Ia, Ib, Ic, 2a, 2b, 3a, 3b und 4 zeigen beispielhaft Teile einer ersten Ausführungsform der

Montagevorrichtung 1 in unterschiedlicher Darstellung. Am einen stirnseitigen Ende einer aus thermoplastischem Material gefertigten, rohrartigen Büchse 3 steht innen angrenzend an einen ringförmigen stirnseitigen Anschlag 5 ein Zentrierring 7 z.B. einige Millimeter axial vor. Bündig zum Anschlag 5 kann eine Befestigungslasche 9 ausgebildet sein, welche die äussere Mantelfläche 11 der Büchse 3 radial überragt. Achsparallel zum Zentrierring 7 steht an der Befestigungslasche 9 ein Haltezapfen 13 vor. An der Innenwand 15 der Büchse 3 können Mittel zum Führen und/oder Positionieren bzw. Ausrichten oder Justieren einer Montagehülsel7 bzw. eines Sensorgehäuses 19 mit korrespondierenden Führungs-, Kontakt- oder Verbindungselementen vorgesehen sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Innenwand 15 zwei sich gegenüberliegende, axial gerichtete Excenterbohrungen 21 und zwei sich gegenüberliegende Ausschnitte 23 für am Sensorgehäuse 19 bzw. an der Montagehülse 17 ausgebildete, radial vorstehende Schnapplaschen 25 auf. Die Ausschnitte 23 haben ebenfalls exzentrisch ausgebildete Wandflächen. Das Sensorgehäuse 19 ist in Figur 3a in Aufsicht und in Figur 3b in einer Seitenansicht dargestellt. Am im Wesentlichen zylindrischen Gehäusemantel 27 sind zwei sich diametral gegenüberliegende, in axialer Richtung verlaufende Excenter 29 ausgebildet. In Linie mit den henkelartig ausgebildeten Schnapplaschen 25 sind zwei am frontseitigen Ende abgeschrägte, den Gehäusemantel 27 radial überragende Führungsrippen 31 ausgebildet. Der Durchmesser D2 des Sensorgehäuses 19 ist im Bereich der Führungsrippen kleiner oder annähernd gleich dem

Durchmesser Dl der Innenwand des Zentrierrings. Der

maximale Durchmesser D3 des Sensorgehäuses 19 im Bereich der Schnapplaschen 25 ist grösser als der Durchmesser Dl der Durchtrittsöffnung im Zentrierring 7. Am rückseitigen Ende des Sensorgehäuses 19 ist ein Handantrieb 31 zum Drehen des Sensorgehäuses 19 ausgebildet. Die Abmessungen von Büchse 3 und Sensorgehäuse 19 sind so aufeinander abgestimmt, dass das Sensorgehäuse 19 bzw. der Sensor in der in Figur 4 gezeigten Orientierung einfach in die Öffnung der Büchse 3 eingeschoben werden kann. Die Excenter 29 haben so noch etwas Spiel zu den

Excenterbohrungen 21. Die federnden Schnapplaschen 25 stehen mit den Wandflächen der exzentrischen Ausschnitte 23 dort in Kontakt, wo deren Durchmesser am grössten ist. Die Schnapplaschen 25 werden dadurch leicht zusammengedrückt. Das Sensorgehäuse 19 bzw. der Sensor kann in Längsrichtung verschoben und in der gewünschten Lage positioniert bzw. justiert werden. Die Federkraft der Schnapplaschen bewirkt beim Verschieben eine geringe Gegenkraft, was die Positionierung erleichtert. Nachdem das Sensorgehäuse 19 in die gewünschte Position gebracht worden ist, wird es durch die Haltekraft der Schnapplaschen in dieser Position gehalten. Durch eine Drehbewegung der Montagehülse 17 bzw. des Sensorgehäuses 19 werden einerseits die Excenter 29 mit den zugehörigen Excenterbohrungen 21 verkeilt. Dadurch ergibt sich eine kraft- oder reibschlüssige bzw. selbsthemmende Verbindung zwischen dem Sensorgehäuse 19 bzw. der Montagehülse 17 und der Büchse 3. Andererseits wird durch die Drehbewegung auch der für die Schnapplaschen 25 wirksame Aussendurchmesser der exzentrischen Ausschnitte 23 kleiner. Der erhöhte Druck der Schnapplaschen erschwert

zusätzlich weitere Bewegungen des Sensorgehäuses 19 relativ zur Büchse 3. In den Ausschnitten 23 können zusätzlich Längsrillen (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Diese sind so angeordnet, dass die Schnapplaschen 25 beim Erreichen der gewünschten Drehlage bzw. des für die Befestigung des Sensors erforderlichen Haltemoments in diese Längsrillen vorspringen. Das damit verbundene Klickgeräusch signalisiert einem Anwender, dass die gewünschte Haltekraft erreicht ist. Im Weiteren verhindern die in die Längsrillen eingerasteten Schnapplaschen 25 eine Lösung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen Sensorgehäuse 19 und Büchse 3. Zusätzlich kann ein sägezahnartiges Raster 20 (Fig. 5a, Fig. 7a) an der Innenseite 15 der Büchse 3 und ein damit korrespondierendes Raster bzw. eine Schnappfeder 39 (Fig. 5b) an der Aussenseite der Montagehülse 17 ausgebildet sein. Die ineinander eingreifenden Raster bzw. die an einer Nase des Rasters 20 anstehende Schnappfeder 39 verhindern ein Zurückdrehen der Montagehülse 17. Dadurch kann ein Lösen der Klemmverbindung selbst bei starken Vibrationen verhindert werden.

Die Büchsen 3 werden jeweils vorgängig im Bereich der für die Befestigung der Sensoren am Maschinenteil vorgesehenen Ausnehmungen bzw. Bohrungen befestigt. Bei der vorgängig beschriebenen Ausgestaltung der Montagevorrichtung 1 sind zwei Bohrungen erforderlich: Eine grossere Bohrung für den Zentrierring 7 und eine kleinere Bohrung für den Haltezapfen 13. Der Durchmesser der grosseren Bohrung ist so bemessen, dass nach dem Einpressen des Zentrierrings 7 eine Pressverbindung zwischen dem Maschinenteil und der Büchse 3 resultiert. In analoger Weise kann auch der

Durchmesser der kleineren Bohrung bemessen sein. Er kann aber auch etwas grösser ausgelegt werden, sodass der Haltezapfen 13 ohne grosseren Kraftaufwand in dieses Bohrloch eingeführt werden kann. Der Haltezapfen 13 dient als Verdrehsicherung. Selbstverständlich sind auch Varianten ohne solche Verdrehsicherung realisierbar.

Alternativ könnte anstelle eines Haltezapfens 13 auch eine Bohrung in der Befestigungslasche 9 vorgesehen sein. Die Büchse könnte in diesem Fall z.B. mittels einer Blechschraube in der zugehörigen Bohrung am Maschinenteil festgeschraubt werden.

Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung könnte das grossere Bohrloch im Maschinenteil einen leicht grosseren Durchmesser aufweisen als der Aussendurchmesser des Zentrierrings 7, sodass dieser etwas Spiel innerhalb der Bohrung hätte. In diesem Fall könnte die Büchse 3 mittels eines geeigneten Klebstoffes am Maschinenteil festgeklebt werden.

Das Maschinenteil kann beispielsweise ein Montageblech oder ein dickeres Metall- oder Kunststoffteil sein. Damit der Sensor frontbündig oder am Maschinenteil auf der Messseite vorstehend montiert werden kann, muss die Länge des Sensorgehäuses 19 ausreichend gross und die Länge der Büchse 3 ausreichend kurz gewählt werden, damit der Handantrieb 31 am hinteren Ende des Sensorgehäuses 19 noch bedienbar ist.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Montagevorrichtung 1, wie sie in den Figuren 5a, 5b und 5c dargestellt ist, umschliesst oder umgreift die Montagehülse 17 eine axial

durchgehende Öffnung 37 zum Einschieben eines Sensors mit einem zylindrischen Gehäuse.

Die Büchse 3 ist im Wesentlichen zylindrisch mit einem montageseitigen flanschartigen Anschlagring 33 ausgebildet. An der äusseren Mantelfläche 11 steht eine Mehrzahl von achsparallelen Längsrippen 35 vor. Ausgehend vom Anschlagring 33 verjüngt sich die radiale Ausdehnung dieser Längsrippen 35 entsprechend einer Kegelmantelfläche zum gegenüberliegenden stirnseitigen Ende der Büchse 3 hin. An der Innenwand 15 sind Excenterausnehmungen 21 (in Figur 5a nur teilweise dargestellt) für die Klemmexcenter 29 und Raster 20 für Schnappfedern 39 ausgebildet. Die Büchse 3 ist durch einen Längsspalt 36 geschlitzt. Dieser Längsspalt 36 durchdringt den Anschlagring 33 vorzugsweise nur teilweise und den Mantel 11 teilweise oder vollständig.

Die Montagehülse 17 hat im Wesentlichen die Gestalt eines Rohrabschnittes mit vier spaltförmige Ausnehmungen 41. An der Aussenseite zweier diametral gegenüberliegender, durch je zwei Ausnehmungen 41 begrenzter Mantelsegmente ist je ein radial vorstehender Klemmexcenter 29 ausgebildet. Die beiden anderen Mantelsegmente umfassen je einen zweistufigen, radial vorstehenden Absatz 43 mit einer Anschlagfläche 45. An jeder der Anschlagflächen 45 ragt eine Schnappfeder 39 hervor. Die vier durch die

Ausnehmungen 41 voneinander getrennten Mantelsegmente lassen sich durch radialen Druck von aussen federelastisch nach innen verformen.

Zum Befestigen eines Sensors an einem Maschinenteil muss dieses eine Bohrung mit einem Durchmesser aufweisen, der

etwa dem Durchmesser der äusseren Mantelfläche 11 der Büchse 3 entspricht. Die Büchse 3 wird soweit in die Bohrung eingeführt bzw. eingepresst, bis der Anschlagring 33 an der Oberfläche des Maschinenteils ansteht bzw. aufliegt. Aufgrund der beim Einschieben der Büchse 3 radial von der Wand der Bohrung auf die konischen Längsrippen 35 wirkenden Kräfte wird dabei die Büchse 3 zusammengedrückt. Entsprechend verengt sich der Längsspalt 36. Anschliessend wird die Montagehülse 17 derart ausgerichtet, dass die Klemmexcenter 29 mit den zugehörigen Excenterausnehmungen 21 übereinstimmen. Die Montagehülse 17 kann ohne grossen Widerstand in axialer Richtung in die Büchse 3 eingeschoben werden. Sobald die Anschlagflächen 45 der Absätze 43 am Anschlagring 33 anstehen, kann die Montagehülse 17 nicht mehr weiter vorgeschoben werden. Das zylindrische Sensorgehäuse wird nun in die Öffnung 37 eingeschoben und justiert bzw. positioniert. Sobald die gewünschte Position erreicht ist, wird die Montagehülse 17 im Uhrzeigersinn gedreht. Dabei drücken die Klemmexcenter 29 in zunehmendem Masse gegen die zugehörigen Excenterausnehmungen 21 an der Innenwand 15 der Büchse 3. Die Längsrippen 35 werden gegen die Bohrung des Maschinenteils gepresst, wodurch sich eine feste, in radialer Richtung wirkende kraftschlüssige Klemmverbindung zwischen dem Maschinenteil und der Büchse 3 ergibt. Bei genügend hohem Pressdruck, wie er insbesondere bei dünnwandigen Maschinenteilen oder Montageblechen auftreten kann, prägt oder schneidet das Blech eine Kerbe in die Längsrippen 35. Zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Büchse 3 und dem

Maschinenteil verhindert das in die Kerbe eingreifende Montageblech eine Loslösung der Büchse 3 vom Montageblech.

Im Weiteren bewirken die von den Excenterausnehmungen 21 auf die Klemmexcenter 29 ausgeübten Kräfte, dass sich die zugehörigen, durch je zwei Ausnehmungen 41 begrenzten Mantelsegmente elastisch nach innen verformen und dabei den Sensor mit einer kraftschlüssigen, radial wirkenden Klemmverbindung festhalten.

Beim Drehen der Montagehülse 17 rasten die Schnappfedern 39 ratschenartig in den Nasen des Rasters 20 ein und verhindern ein Zurückdrehen der Montagehülse 17. Durch Zusammendrücken der beiden Absätze 43 kann die Verriegelung durch die Schnappfedern 39 wieder gelöst und die Montagehülse 17 im Gegenuhrzeigersinn zurückgedreht werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Montagevorrichtung 1, wie sie in den Figuren 6a, 6b, 6c und 6d dargestellt ist, umfasst die Büchse 3 eine konische äussere Mantelfläche 11 und die Montagehülse 17 eine korrespondierende, gegenläufig konische Innenwand 47. Beide Teile 3, 17 können vorkonfektioniert bzw. lose zusammengesetzt werden. Zwei am schmaleren stirnseitigen Ende der Büchse 3 radial vorstehende Flügel 49 ragen durch Fensterausnehmungen 51 in der Montagehülse 17 hindurch. Sie dienen als Anschlagelemente beim Eindrücken des Verbundes aus Büchse 3 und Montagehülse 17 in die Maschinenteilbohrung.

Der Sensor wird in die Öffnung 37 eingeführt. Anschliessend wird der Vorderteil der Montagevorrichtung 1 mit der Büchse 3 und dem vorderen Teil der Montagehülse 17 in das Bohrloch eingeführt. Wenn die Flügel 49 am

Maschinenteil anstehen, kann die Büchse 3 nicht mehr weiter vorgeschoben werden. Die Position des Sensors wird entsprechend der jeweiligen Anforderungen ausgerichtet bzw. justiert. Anschliessend wird die Montagehülse 17 in axialer Richtung unter erhöhtem Kraftaufwand weiter vorgeschoben. Dabei verkeilen sich die konischen Bereiche der Büchse 3 und der Montagehülse 17. Es resultieren wiederum kraftschlüssige Verbindungen. Diesmal zwischen der Aussenseite der Montagehülse 17 und der Innenseite der Maschinenteilbohrung sowie zwischen der Büchse 3 und dem (nicht dargestellten) Sensor.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen Beispiele. Die Beispiele dienen lediglich dem Verständnis der Erfindung. So umfasst die Erfindung beliebige andere Ausführungsformen der Montagevorrichtung 1, bei welchen eine Büchse (3) bzw. allgemein ein Halteteil in oder an oder im Bereich einer Ausnehmung am Maschinenteil in beliebiger Weise befestigt wird und eine Montagehülse (17) bzw. ein Sensorgehäuse (19) mittels einer kraftschlüssigen Verbindung an diesem Halteteil durch eine kraftschlüssige Verbindung gehalten wird. Die Verkeilung der beiden Teile kann durch eine Drehbewegung und/oder eine Verschiebung der Teile relativ zueinander erfolgen.

Bei einer weiteren, in den Figuren 7a, 7b und 7c dargestellten Ausgestaltung der Erfindung sind an der

Büchse 3 zusätzlich eine radial vorstehende Haltelasche 53 und an der Montagehülse 17 zwei radial abstehende Greifelemente 55 ausgebildet. Sie dienen als Montagehilfe, indem die Büchse 3 einerseits mit einem Finger am Werkstück festgeklemmt und so gegen ein unbeabsichtigtes

Verdrehen gesichert werden kann, und indem andererseits die Montagehülse 17 an den ergonomisch ausgebildeten Greifhebeln 55 gefasst und verdreht werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Variante liegt darin, dass die Absätze 43 bzw. Drücker zum Lösen der Schnappfedern 39 getrennt von den Greifelementen 55 ausgebildet sind.

Figur 7c zeigt einen mit der Montagevorrichtung aus den Figuren 7a und 7b in einer Bohrung eines Werkstücks 59 bzw. eines Maschinenteils befestigten Sensor 57.