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(11) | EP 0 108 949 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit des Kolbens eines Arbeitszylinders |
| (57) Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit
des Kolbens eines Arbeitszylinders. Die Kolbenstange besteht aus ferromagnetischem Werkstoff und weist wenigstens auf einem Teilbereich ihrer Länge im gleichen Abstand zueinander angeordnete Vertiefungen bzw. Erhöhungen auf. Die Vertiefungen sind mit einem nichtmagnetisierbaren Material verschlossen. Am Zylinder ist ein mit einer Auswerteschaltung verbundener Sensor angeordnet, der zusammen mit den Vertiefungen bzw. Erhöhungen der Kolbenstange zur Signalerzeugung dient. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit des Kolbens eines Arbeitszylinders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Derartige Einrichtungen werden z. B. bei industriellem Einsatz von Arbeitszylindern zum Erfassen der Position oder auch der Geschwindigkeit des Kolbens bzw. der Kolbenstange benötigt, um je nach Einsatzzweck mittels der von diesen Einrichtungen gelieferten Signale die Lage eines mit der Kolbenstange verbundenen Teiles bestimmen zu können oder auch bei wechselnder Belastung der Kolbenstange den Druck im Arbeitszylinder zwecks Erreichens einer nahezu konstanten Hubgeschwindigkeit des Kolbens bzw. der Kolbenstange verändern zu können.
[0003] Aus der DE-OS 29 37 998 zum Beispiel ist es bekannt, an der Kolbenstange eines Arbeitszylinders einen Maßstab anzuordnen, welcher bei einer Verschiebebewegung der Kolbenstange an einem Sensor vorbeigeführt wird. Die vom Sensor gelieferten Signale werden einer Auswerteschaltung zugeführt, welche wiederum Regelsignale erzeugt und auf mit dem Arbeitszylinder verbundene Magnetventile gibt.
[0004] Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, raumaufwendig zu sein, da sowohl der Maßstab als auch der Sensor außerhalb des Arbeitszylinders angeordnet sind.
[0005] Eine weitere, aus der DE-OS 29 45 895 bekannte Einrichtung zum Erfassen der Kolbenposition ist derart ausgebildet, daß auf der Kolbenstange eine oder mehrere Magnetspuren vorgesehen sind, die mit einem oder mehreren Magnetfeld-Sensoren und einer entsprechenden elektronischen Schaltung zusammenwirken. Die Magnetfeld-Sensoren dieser Einrichtung sind im kolbenstangenseitigen Zylinderdeckel angeordnet.
[0006] Diese Einrichtung ist platzsparend und geschützt im Zylinder angeordnet, erfordert jedoch eine relativ aufwendige Behandlung der Kolbenstange des Arbeitszylinders.
[0007] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Ein- - richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich gegenüber den bekannten Einrichtungen mit geringerem Aufwand herstellen läßt.
[0008] Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt.
[0009] Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, durch die Anordnung von beliebig vielen Ausnehmungen in der Kolbenstange auf einfache Art und Weise einen mit einem Sensor zusammenwirkenden Maßstab zu erhalten, dessen Genauigkeit den entsprechenden Erfordernissen leicht angepaßt werden kann.
[0010] Wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Kolbenstange eine einfache, mit einem Überzug versehene Gewindestange verwendet, so läßt sich die vom Sensor abgegebene Impulsdichte durch Verwenden von Gewindestangen mit unterschiedlicher Gewindesteigung leicht verändern.
[0011] Anhand der Zeichnungen werden nachstehend drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
[0012] Es zeigen:
Fig. 1 einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder mit einer als Gewindestange ausgebildeten Kolbenstange, welche mit einem Aluminiummantel versehen ist, sowie einen mit der Kolbenstange zusammenwirkenden Sensor, der an eine elektronische Regel- und Auswerteschaltung angeschlossen ist;
Fig. 2 einen Ausschnitt eines Arbeitszylinders mit Kolbenstange, welche eine Reihe sich radial nach innen erstreckender Bohrungen aufweist und
Fig. 3 einen Ausschnitt eines Arbeitszylinders, dessen Kolbenstange mit umlaufenden Nuten versehen ist.
[0013] In Fig. 1 ist ein Arbeitszylinder 13 dargestellt, welcher einen mit einer Kolbenstange 5 verbundenen Kolben 11 aufweist. Der Kolben 11 unterteilt den Arbeitszylinder in eine kolbenstangenseitige erste Druckmittelkammer 10 und eine der kolbenstangenseitigen Druckmittelkammer 10 gegenüber auf der anderen Seite des Kolbens 11 angeordnete zweite Druckmittelkammer 12. Die erste Druckmittelkammer 10 ist über einen Druckmittelanschluß 19 und eine Druckmittelleitung 18 mit einem ersten Ausgang einer elektrisch ansteuerbaren Ventileinrichtung 16 verbunden. Über eine Druckmittelleitung 14 und einen Druckmittelanschluß 20 ist ein zweiter Ausgang der Ventileinrichtung 16 mit der zweiten Druckmittelkammer 12 des Arbeitszylinders 13 verbunden. Eine Druckmittelleitung 21 verbindet den Druckmitteleingang der Ventileinrichtung 16 mit einer Druckmittelquelle 22. Die Ventileinrichtung 16 beinhaltet sowohl für die erste Druckmittelkammer 10 als auch für die zweite Druckmittelkammer 12 des Zylinders je ein Einlaßventil und je ein Auslaßventil. Jedem Auslaßventil ist wenigstens eine Drossel zugeordnet. Die Kolbenstange 5 weist über ihre gesamte Länge Flachgewinde 6 auf und ist mit einem Aluminiummantel 7 versehen. Anstelle von Flachgewinde kann auch Trapez- oder Spitzgewinde vorgesehen werden. In der die kolbenstangenseitige Druckmittelkammer 10 begrenzenden, als Zylinderdeckel 23 ausgebildeten Stirnwand ist eine mit einem Dichtring 8 versehene Ausnehmung 9 angeordnet, durch welche die Kolbenstange 5 aus dem Arbeitszylinder 13 herausgeführt ist. Im Zylinderdeckel 23 ist ein mit einem Polschuh 4 versehener Sensor 3, 4 senkrecht zur Längsachse der Kolbenstange 5 angeordnet.. Der Sensor enthält einen Dauermagneten. Der Polschuh 4 des Sensors 3, 4 ist so bemessen, daß beim Vorbeifahren der mit Gewinde 6 versehenen Kolbenstange 5 am Polschuh 4 nicht mehrere der durch das Gewinde 6 gebildeten Erhöhungen gleichzeitig vom Polschuh 4 überdeckt werden. Vom Sensor 3, 4 führt eine Signalleitung 2 zu einem Eingang einer elektronischen Auswerte- und Regelschaltung 1, die einen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung einer sinusförmigen Spannung in Rechteck-Impulse enthält. Die elektronische Auswerte- und Regelschaltung ist über Signalleitungen 15,17 mit der Ventileinrichtung 16 verbunden.
[0015] Es wird angenommen, daß in die zweite Druckmittelkammer 12 Druckmittel eingesteuert und so der Kolben 11 mit der Kolbenstange 5 in Richtung auf die kolbenstangenseitige erste Druckmittelkammer 10 zu verschoben wird. Entsprechend der Steigung des eingesteuerten Druckes wird die mit dem Kolben 11 verbundene Kolbenstange 5 schneller oder langsamer am Polschuh 4 des Sensors 3,4 vorbeigeführt. Das sich zwischen dem Polschuh 4 des Sensors 3,4 und der mit Gewinde 6 versehenen Kolbenstange 5 aufbauende Magnetfeld wird beim Vorbeifahren der Kolbenstange 5 am Polschuh 4 wechselweise stärker und wieder schwächer, je nachdem ob sich unter dem Polschuh 4 eine Erhöhung oder eine Vertiefung des Gewindes 6 befindet. Der Sensor 3,4' gibt eine Ausgangsspannung ab, die z.B. sinusförmig verlaufen kann. Diese Ausgangsspannung gelangt über die Signalleitung 2 zur Auswerteschaltung der elektronischen Auswerte- und Regelschaltung 1. Die Auswerteschaltung ist so ausgebildet, daß sie einen Impuls erzeugt, wenn das Magnetfeld eine Stärke erreicht, die nur beim Vorbeifahren einer Erhöhung des Gewindes 6 am Polschuh 4 des Sensors 3,4 auftritt. Von der Auswerteschaltung werden die pro Zeiteinheit auftretenden Impulse gezählt und so die Geschwindigkeit des Kolbens 11 bzw. der Kolbenstange 5 ermittelt. Die so ermittelte IST-Geschwindigkeit wird mit einer vorgegebenen SOLL-Geschwindigkeit verglichen. Überschreitet der IST-Geschwindigkeitswert den SOLL-Geschwindigkeitswert, so wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches über die Signalleitung 17 auf die Ventileinrichtung 16 gelangt. Das von der elektronischen Auswerte- und Regelschaltung 1 abgegebene Signal bewirkt, daß der Druck in der ersten Druckmittelkammer 10 des Arbeitszylinders solange gedrosselt abgebaut wird bis die IST-Geschwindigkeit des Kolbens 11 bzw. der Kolbenstange 5 der vorgegebenen SOLL-Geschwindigkeit entspricht.
[0016] Unterschreitet die Geschwindigkeit des Kolbens 11 bzw. der Kolbenstange 5 die SOLL-Geschwindigkeit, so wird durch Ausschalten der Drossel der Druckabbau in der ersten Druckmittelkammer 10 beschleunigt und so die Kolbengeschwindigkeit erhöht.
[0017] Wird die Auswerteschaltung so ausgebildet, daß der Abstand. zwischen jeweils zwei Impulseneinen definierten Weg darstellt, so läßt sich über den gesamten Kolbenhub die augenblickliche Position des Kolbens 11 bestimmen.
[0018] In Fig. 2 ist ein Ausschnitt eines Arbeitszylinders 24 dargestellt, aus welchem eine Kolbenstange 29 herausgeführt ist. Die Kolbenstange 29 ist aus magnetisierbarem Material' gefertigt und weist in Richtung ihrer Längsachse verlaufend eine Anzahl sich radial nach innen erstreckender Bohrungen 28 auf, die im gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Die Bohrungen 28 sind mit einem nicht magnetisierbaren Material 27 ausgefüllt. Die Kolbenstange 29 wird von einem Dichtring 26, welcher in der Wandung einer im Zylinderdeckel 25 vorgesehenen Ausnehmung gelagert ist, dichtend umschlossen.
[0019] Im Zylinderdeckel 25 ist senkrecht zur Kolbenstangen-Lauffläche ein Sensor 32, 31 so angeordnet, daß zwischen der Mantelfläche der Kolbenstange 29 und dem Polschuh 31 des Sensors 32, 31 ein geringer Luftspalt verbleibt.
[0020] Die Funktion dieser Einrichtung ist die gleiche wie die der in Fig. 1 beschriebenen Einrichtung. Die zur Veränderung des sich zwischen dem Polschuh 31 des Sensors 32,31 und der Kolbenstange 29 aufbauenden Magnetfeldes erforderlichen Erhöhungen und Vertiefungen werden durch die Bohrungen 28 und die zwischen den Bohrungen 28 verbleibenden Stege 30 gebildet.
[0021] Es ist auch möglich, in den Bohrungen lichtreflektierende Elemente vorzusehen, welche bündig mit der Mantelfläche der Kolbenstange abschließen und mit einem Lichtsensor zusammenwirken.
[0022] Eine weitere Möglichkeit, die Kolbenstange mit den erforderlichen Erhöhungen und Vertiefungen zu versehen, wird in - Fig. 3 aufgezeigt.
In einem Zylinder 40 ist ein nicht dargestellter Kolben angeordnet, welcher mit einer Kolbenstange 36 verbunden ist. Die Kolbenstange 36 ist durch eine im Zylinderdeckel 33 angeordnete Ausnehmung aus dem Zylinder herausgeführt. Um ein ungewolltes Austreten von Druckmittel aus dem Zylinder zu verhindern, ist in der Wandung der Ausnehmung für den Durchtritt der Kolbenstange 36 ein Dichtring 34 angeordnet, welcher die Kolbenstange 36 dichtend umschließt. Die Kolbenstange 36 weist im gleichen Abstand zueinander angeordnete umlaufende Nuten 4I auf. Um eine ebene Lauffläche zu erhalten, ist die Kolbenstange 36 mit einem Kunststoffmantel 35 versehen. Im Zylinderdeckel 33 ist ein Sensor 39, 38 senkrecht zur Kolbenstangen-Längsachse angeordnet. Die zur Veränderung des sich zwischen dem Polschuh 38 des Sensors 39. 38 und der Kolbenstange 36 aufbauenden Magnetfeldes erforderlichen Erhöhungen und Vertiefungen werden von den umlaufenden Vorsprüngen 37 und den umlaufenden Nuten 41 gebildet.
1. Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit des Kolbens
eines Arbeitszylinders, wobei der Kolben mit einer Kolbenstange verbunden ist, welche
aus dem Zylinder herausgeführt ist; _ gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
a) die Kolbenstange besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff und weist wenigstens auf einem Teilbereich ihrer Länge im gleichen Abstand zueinander angeordnete Vertiefungen bzw. Erhöhungen auf;
b) die Vertiefungen sind mit einem nicht magnetisierbarem Material verschlossen, derart, daß die Kolbenstange eine glatte Lauffläche aufweist;
c) am Zylinder ist ein Sensor angeordnet, derart, daß zwischen einem Polschuh des Sensors und der Kolbenstange ein Luftspalt gebildet wird;
d) der Sensor ist mit einer Auswerteschaltung verbunden,
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen als umlaufende
Nuten (41) ausgebildet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen von einem
in die Kolbenstange eingearbeiteten Gewinde (6) gebildet werden.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen durch
im gleichen Abstand zueinander angeordnete Bohrungen (28) gebildet werden.
5. Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit des Kolbens
eines Arbeitszylinders, wobei der Kolben mit einer Kolbenstange verbunden ist, welche
aus dem Zylinder herausgeführt ist; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
a) die Kolbenstange besteht aus einem ferromagnetischen Werkstoff und weist wenigstens auf einem Teilbereich ihrer Länge im gleichen Abstand zueinander angeordnete Vertiefungen bzw. Erhöhungen auf;
b) in den Vertiefungen sind lichtreflektierende Elemente vorgesehen, welche bündig mit der Mantelfläche der Kolbenstange abschließen;
c) am Zylinder ist ein Lichtsensor angeordnet;
d) der Sensor ist mit einer Auswerteschaltung verbunden.