Die Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder, mit einem Gehäuse, in dem sich ein axial bewegbarer Kolben befindet, der mit einer an wenigstens einer Stirnseite aus dem Gehäuse herausragenden Kolbenstange verbunden ist die am Außenumfang wenigstens einen sich axial erstreckenden Flächenabschnitt aufweist, in dem eine Längsnut vorgesehen ist, die einen durch eine gehäusefeste Sensoreinrichtung abtastbaren Magnetstreifen aufnimmt, der mehrere in Axialrichtung aufeinanderfolgend angeordnete, wechselpolig magnetisierte Magnetzonen aufweist, die durch die Sensoreinrichtung berührungslos abtastbar sind, und der durch eine an der Kolbenstange festgelegte, aus magnetfelddurchlässigem Material bestehende Deckleiste abgedeckt ist, deren vom Magnetstreifen abgewandte Außenfläche zumindest einen Teil des mit der Längsnut versehenen Flächenabschnittes der Kolbenstange bildet.
Ein Arbeitszylinder dieser Art geht aus der GB-A-2 056 692 hervor. Dieser verfügt über eine Kolbenstange mit kreisförmigem Querschnitt, die mit einer Längsnut versehen ist, in die ein von einer U-förmigen Deckleiste abgedeckter Magnetstreifen eingebettet ist. Der Magnetstreifen ist wechselpolig magnetisiert und arbeitet mit einer Sensoreinrichtung zusammen, um eine Positionsbestimmung zu ermöglichen. Die Deckleiste bildet einen Bestandteil des die Längsnut aufweisenden Flächenabschnittes der Kolbenstange und ist somit Bestandteil der Außenfläche der Kolbenstange, wobei der mechanisch sehr empfindliche Magnetstreifen allseits umschlossen geschützt untergebracht ist. Bedingt durch die Krümmung der Kolbenstange sind der Breite des Magnetstreifens allerdings Grenzen gesetzt. Um einen relativ breiten Magnetstreifen verwenden zu können, ist eine verhältnismäßig tiefe Einbettung in das Kolbenstangenmaterial erforderlich. Um gleichwohl die gewünschte Präzision zu erhalten, bedarf es dann eines vergrößerten Magnetvolumens.
Aus der DE-U-92 09 987 geht bereits ein Arbeitszylinder hervor, der ebenfalls mit einem Wegmeßsystem ausgestattet ist, das eine Positionsbestimmung des Kolbens oder der Kolbenstange ermöglicht. Hierzu ist beispielsweise eine als Widerstandsstreifen ausgebildete Meßstrecke vorgesehen, die in einer Längsnut der Kolbenstange untergebracht ist, die sich in einem eine Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt der Kolbenstange befindet. Bedingt durch einen auf dem Widerstandsstreifen entlanggleitenden Schleifkontakt tritt bei dieser Bauform ein allmählicher Verschleiß auf. Dieser beeinträchtigt die Genauigkeit der Positionsbestimmung und kann zu Undichtigkeiten im Durchtrittsbereich zwischen der Kolbenstange und der zugeordneten stirnseitigen Abschlußwand des Gehäuses führen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Arbeitszylinder zu schaffen, der bei reduziertem Verschleiß eine fortwährend exakte Positionsbestimmung der Kolbenstange und/oder des Kolbens ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der die Längsnut aufweisende Flächenabschnitt der Kolbenstange Flachgestalt aufweist, und daß der Magnetstreifen auf einem Trägerstreifen befestigt ist und zwischen diesem Trägerstreifen und der Deckleiste liegt.
Die Integration des Magnetstreifens in die Kolbenstange ermöglicht es, kolbenstangenseitig vorgeschriebene Normabmessungen unverändert beizubehalten. Funktionsbeschränkungen gegenüber Arbeitszylindern konventioneller Art sind nicht zu erwarten, so daß auch die üblichen Lebensdauerkennwerte trotz der Verwendung eines Wegmeßsystems gegenüber Standardausführungen keinerlei Beschränkungen unterliegen. Entsprechendes gilt für die Belastbarkeit des Arbeitszylinders. Durch den Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt läßt sich überdies eine kostengünstige Verdrehsicherung der Kolbenstange erzielen, so daß der Magnetstreifen stets die richtige Lage mit Bezug zu der gehäuseseitig angeordneten Sensoreinrichtung einnimmt. Da die Deckleiste mechanisch hoch belastbar ausgeführt werden kann, lassen sich auch hohe auf die Kolbenstange einwirkende Drehmomente ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit der Positionsbestimmung kompensieren.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Eine relativ einfach herzustellende Bauform des Arbeitszylinders sieht vor, daß die Deckleiste zumindest teilweise und vorzugsweise vollständig in die Längsnut des ebenen bzw. geradlinigen Flächenabschnittes eingelassen ist. Durch die hierbei verwirklichte formschlüssige Verbindung zwischen der Deckleiste und der Kolbenstange wird die Deckleiste sicher fixiert.
Als besonders geeignetes Material für die Deckleiste hat sich Federstahl herausgestellt, beispielsweise der von der Firma Sandvik gelieferte Stahl der Spezifikation 13 X RM 19.
Als besonders vorteilhafte Befestigungsmaßnahme für den Magnetstreifen und die Deckleiste hat sich eine Klebeverbindung herausgestellt, bei der die Teile mittels eines hochfesten Klebers mit der Kolbenstange verbunden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Sensoreinrichtung mit einem die entsprechenden Sensoren enthaltenden Sensorkopf auszustatten, der in die in der Regel von einem Deckel gebildete Abschlußwand des Gehäuses integriert werden kann. In den Sensorkopf kann unmittelbar eine Signalauswerteelektronik integriert sein, wobei unmittelbar in dem Sensorkopf eine Signalverstärkung und -aufbereitung stattfinden kann, was den Vorteil einer sehr guten Signalstabilität hat.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
Der beispielsgemäße Arbeitszylinder umfaßt ein Gehäuse 1, in dem ein Kolben 2 axial beweglich angeordnet ist. Der Kolben 2 trennt zwei Arbeitsräume 3, 4 dicht voneinander ab, in die jeweils ein Gehäusekanal 5 mündet, der in an sich bekannter Weise der Zufuhr und Abfuhr eines den Kolben antreibenden Fluides wie Druckluft dient.
Die beiden Stirnseiten des Gehäuses 1 sind durch Abschlußwände 6, 7 verschlossen, die als abnehmbare Deckel ausgebildet sind.
An dem Kolben 2 ist eine Kolbenstange 8 befestigt, die sich axial erstreckt, und die eine Abschlußwand 6 koaxial zur Außenseite hin durchsetzt.
Die Abschlußwand 6 ist eine Lagerwand, die die Kolbenstange 8 in Querrichtung abstützt und führt. Zu diesem Zweck ist in der von der Kolbenstange 2 durchsetzten Durchtrittsöffnung 12 der Abschlußwand 6 eine sich gehäusefest abstützende Führungseinrichtung 13 angeordnet, die eine Gleitführung für die Kolbenstange 8 darstellt. Ferner befindet sich in der Durchtrittsöffnung 12 eine beispielsgemäß in Baueinheit mit der Führungseinrichtung 13 ausgebildete Dichtungseinrichtung 14, die einerseits an der Abschlußwand 6 festgelegt und andererseits mit der Kolbenstange 8 ringsum in dynamischem Dichtkontakt steht. Sie verhindert, daß fluidisches Druckmittel aus dem benachbarten Arbeitsraum 3 über die Durchtrittsöffnung 12 nach außen dringt.
Die Führungs- und/oder Dichtungseinrichtung 13, 14 könnte zumindest teilweise auch außerhalb der Durchtrittsöffnung 12 angeordnet sein.
Am außerhalb des Gehäuses 1 liegenden Ende der Kolbenstange 8 ist eine Befestigungspartie 15 vorgesehen. Sie ermöglicht das Anbringen eines beliebigen durch den Arbeitszylinder zu bewegenden Bauteils.
Der Arbeitszylinder ist mit einer allgemein mit Bezugsziffer 16 bezeichneten Positionsbestimmungseinrichtung ausgestattet. Bei ihr handelt es sich um ein Wegmeßsystem, das es erlaubt, den zurückgelegten Weg der Kolbenstange 8 bzw. deren momentane Position zu bestimmen. Dies ermöglicht eine wegabhängige Ansteuerung und Betätigung des Arbeitszylinders.
Vorzugsweise verfügt die Kolbenstange 8 an ihrem Außenumfang über wenigstens einen sich axial erstreckenden und Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt 17. Dieser ebene, geradlinige Flächenabschnitt 17 erstreckt sich über zumindest einen Großteil der Länge der Kolbenstange 8 und ist zumindest derart angeordnet und ausgebildet, daß er unabhängig von der jeweiligen Axialposition des Kolbens 2 bzw. der Kolbenstange 8 stets mit einem Abschnitt seiner Länge einer am Gehäuse 1 festgelegten Sensoreinrichtung 18 radial gegenüberliegt. Besagte Sensoreinrichtung 18 ist beim Ausführungsbeispiel an der als Lagerdeckel fungierenden Abschlußwand 6 angebracht.
Die Sensoreinrichtung 18 arbeitet zur Positionsbestimmung mit einem Magnetstreifen 22 zusammen, der in einer in den Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt 17 eingebrachten, sich axial erstreckenden Längsnut 23 untergebracht ist. Bei einer Axialbewegung der Kolbenstange 8 läuft die Sensoreinrichtung 18 praktisch an dem Magnetstreifen 22 entlang und wird durch diesen betätigt, so daß sich Sensorsignale ergeben, die in einer angeschlossenen Verarbeitungseinrichtung 24 in gewünschter Weise verarbeitet werden. Beispielsweise können die Sensorsignale zur Ansteuerung von Ventilen aufbereitet werden, die ihrerseits die Betätigung des Arbeitszylinders in Abhängigkeit von der momentanen Hubstellung steuern.
Der bandförmige Magnetstreifen 22 ist ein kunststoffgebundenes Teil, es handelt sich um einen Kunststoffstreifen mit magnetisierbaren Bestandteilen oder Partikeln, prinzipiell vergleichbar mit den als Tonträgern dienenden Magnetbändern von Tonband- oder Videogeräten. Er besitzt allerdings zweckmäßigerweise eine derartige Dicke, daß er eine gewisse Eigenstabilität aufweist. Er ist beim Ausführungsbeispiel sandwichartig auf einem Trägerstreifen 25 befestigt, der vorzugsweise aus unmagnetischem Material besteht und beim Ausführungsbeispiel ein Stahlband ist. Die aus dem Magnetstreifen 22 und dem Trägerstreifen 25 bestehende Streifeneinheit ist, mit dem Trägerstreifen 25 voraus und untenliegend in die Längsnut 23 eingelegt, wobei ihre flache Unterseite 26 dem ebenen Nutgrund 27 zugewandt ist. Die Nutbreite entspricht der Streifenbreite wie auch die Nutlänge der Streifenlänge entspricht. Auf diese Weise ist die Streifeneinheit in der Längsnut 23 in der Streifenebene unbeweglich zentriert. Die Befestigung in der Längsnut 23 geschieht zweckmäßigerweise im Rahmen einer hochfesten Klebeverbindung, die gewährleistet, daß der Magnetstreifen 22 seine Lage bezüglich der Kolbenstange 8 auch bei starken Erschütterungen stets unverändert beibehält.
Durch eine geeignete Magnetisierung ist der Magnetstreifen 22 in mehrere in Streifenlängsrichtung aufeinanderfolgende magnetisierte Magnetzonen 28, 28' eingeteilt, wobei die Magnetisierung der einzelnen Magnetzonen wechselpolig erfolgt ist. Die Magnetfeldausrichtung zweier in Streifenlängsrichtung benachbarter Magnetfeldzonen 28, 28' weicht somit voneinander ab, indem die Nord- und Südpole jeweils vertauscht sind. Beim Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Magnetfeldzonen 28, 28' axial polarisiert, d.h. ihre Nordpole (N) und Südpole (S) sind in Streifenlängsrichtung und somit in Axialrichtung der Kolbenstange 8 ausgerichtet. Vorzugsweise ist die Polarisierung derart, daß sich aufeinanderfolgende Magnetfeldzonen 28, 28' jeweils mit gleichnamiger Polarisierung zugewandt sind. In Figur 2 sind die Übergangsstellen zwischen jeweils benachbarten Magnetfeldzonen 28, 28' durch strichpunktierte Linien angedeutet, die in der Praxis selbstverständlich nicht sichtbar sind. Man erkennt, daß die Nordpolseite einer jeweiligen Magnetfeldzone wiederum der Nordpolseite der sich anschließenden Magnetfeldzone gegenüberliegt.
Die Sensoreinrichtung 18 ist derart an der Abschlußwand 6 festgelegt, daß sie der dem Nutgrund 27 entgegengesetzten Oberseite 32 des Magnetstreifens 22 mit Abstand rechtwinkelig zur Streifenebene gegenüberliegt. Bei einer Hubbewegung des Kolbens 2 wird somit der Magnetstreifen 22 an der Sensoreinrichtung 18 in Längsrichtung vorbeibewegt, welche letztere nacheinander in den Einfluß der von den einzelnen Magnetfeldzonen 28, 28' hervorgerufenen Magnetfelder gelangt. Diese Magnetfelder durchsetzen die Sensoreinrichtung 18, die beim Ausführungsbeispiel zwei nicht näher dargestellte magnetfeldempfindliche Halbleitersensoren enthält, beispielsweise sogenannte Hall-Sensoren oder Feldplatten-Sensoren. Entsprechend der beispielsgemäßen Einteilung des Magnetstreifens 22 liefern die beiden in der Regel um 90° versetzt angeordneten Halbleitersensoren der Sensoreinrichtung 18 zwei um 90° versetzte Sinus-Signale, die je nach Feininterpolationsteilung einer nachgeschalteten Auswerteelektronik auf die gewünschte Auflösung - beispielsweise 0,01 mm - feininterpoliert werden können. Die erhaltenen Signale geben somit Aufschluß über die momentane Position der Kolbenstange 8 und jedes mit dieser verbundenen Bauteils.
Da die Abtastung des Magnetstreifens 22 durch die Sensoreinrichtung 18 berührungslos erfolgt, sind die Bestandteile der Positionsbestimmungseinrichtung 16 praktisch keinerlei mechanischem Verschleiß ausgesetzt und gewährleisten eine lange Funktionsdauer des Arbeitszylinders.
Die Dicke der sich aus dem Magnetstreifen 22 und dem Trägerstreifen 25 zusammensetzenden Streifeneinheit ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel geringer als die Tiefe der sie aufnehmenden Längsnut 23. Der Magnetstreifen 22 sitzt daher mit Abstand zu dem Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt 17 in der Längsnut 23 ein. Der verbleibende Tiefenabschnitt der Längsnut 23 wird von einer Deckleiste 33 eingenommen, die in die Längsnut 23 eingepaßt ist und auf dem Magnetstreifen 22 aufliegt. Bevorzugt ist die Anordnung derart getroffen, daß die Deckleiste 33 vollständig versenkt in der Längsnut 23 aufgenommen ist, wie es aus den Ausführungsbeispielen hervorgeht. Die Längsnut wird dabei von der Deckleiste 33, dem Magnetstreifen 22 und dem Trägerstreifen 25 gerade ausgefüllt, so daß die dem Magnetstreifen 22 entgegengesetzte Außenfläche 34 der Deckleiste 33 bündig in die beiden sich längsseits an die Längsnut 23 anschließenden Flächenpartien 35 der Kolbenstange 8 übergeht. Die Außenfläche 34 bildet dann zusammen mit den beiden sie flankierenden Flächenpartien 35 den Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt 17. Durch die Deckleiste erhält die Kolbenstange 8 also letztlich die Gestalt zurück, die sie bei konventioneller, nutenloser Ausgestaltung hätte. Beispielsgemäß liegen die Außenfläche 34 und die angrenzenden Flächenpartien 35 in einer gemeinsamen Ebene, die den Flächenabschnitt 17 bildet.
Die Deckleiste 33 ist in der Längsnut 23 fest verankert. Zu diesem Zweck ist sie vorteilhafterweise in die Längsnut 23 eingeklebt. Ihr Grundriß entspricht demjenigen der Längsnut 23, so daß letztere durch die Deckleiste 33 vollständig geschlossen ist.
Die Deckleiste 33 gewährleistet eine optimale Abdichtung im Durchdringungsbereich zwischen der Kolbenstange 8 und der Abschlußwand 6 bei gleichzeitigem Schutz des empfindlichen Magnetstreifens 22 vor Beschädigungen. Indem die Außenfläche 34 der Dichtleiste 33 wenigstens einen Teil des Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnittes 17 bildet, steht sie beim Durchlaufen der Führungs- und/oder Dichtungsanordnung 13, 14 in gleicher Weise mit dieser in Berührkontakt wie die übrigen Außenflächenbereiche der Kolbenstange 8. Da es ohne weiteres möglich ist, den Übergangsbereich zwischen der Deckleiste 33 und den benachbarten Flächenpartien 35 der Kolbenstange 8 derart auszubilden, daß keinerlei Zwischenraum oder Vertiefung vorliegt, hat das im Arbeitsraum 3 enthaltene Druckmittel keinen Überströmweg, um an der Dichtungseinrichtung 14 vorbei auszuströmen. Beispielsgemäß erreicht man dies dadurch, daß man auch in die erwähnten Übergangsbereiche 36 Klebstoff einbringt, so daß die Übergangsbereiche 36 bis zur Außenfläche hin mit Klebstoff befüllt sind und sich ein gleichmäßiger Übergang zwischen den sich einander anschließenden Außenflächenbereichen einstellt.
Damit die Wirksamkeit der Positionsbestimmungseinrichtung 16 durch die Deckleiste 33 nicht beeinträchtigt wird, empfiehlt es sich, die Deckleiste aus unmagnetisierbarem Material herzustellen. Beim Ausführungsbeispiel besteht sie aus einem Federstahl mit geringer Permeabilität, der zudem äußerst verschleißfest und korrosionsbeständig ist. Ein derartiges Metall wird beispielsweise von der Firma Sandvik unter der Bezeichnung 13 X RM 19 vertrieben. Auf diese Weise ist die Deckleiste 33 für die Magnetfelder des Magnetstreifens 22 durchlässig, die somit in gewünschter Weise die Sensoreinrichtung 18 beaufschlagen können.
Um den exakten und stufenlosen Übergang zwischen der Deckleiste 33 und den sich längsseits anschließenden Bereichen der Kolbenstange 8 zu erhalten, ist die Kolbenstange 8 beim Ausführungsbeispiel nach dem Einkleben der Deckleiste 33 an dem Flächenabschnitt 17 überschliffen worden. Dadurch nivellieren sich sämtliche Unebenheiten aus.
Die Sensoreinrichtung 18 ist beim Ausführungsbeispiel von einem äußerst kompakt bauenden Sensorkopf 37 gebildet, der sich ausgezeichnet für eine Integration in das Gehäuse 1 und vor allem - wie vorliegend - in die von der Kolbenstange 8 durchsetzte Abschlußwand 6 eignet. Die Abschlußwand 6 hat vorliegend im Bereich der Austrittsöffnung 12 eine sich radial erstreckende Ausnehmung 38, die einerseits radial nach innen zur Kolbenstange 8 hin und andererseits radial nach außen zu einer Außenfläche 42 der Abschlußwand 6 hin offen ist. In diese Ausnehmung 38 ist der zum Beispiel patronenartige Sensorkopf 37 eingesetzt, so daß er den erforderlichen Abstand zu der von ihm nicht berührten Deckleiste 33 einhält, die zwischen ihm und dem Magnetstreifen 22 liegt.
In den Sensorkopf 37 ist eine gestrichelt angedeutete Auswerteelektronik 43 integriert, die die Signale der Halbleitersensoren in der erforderlichen Weise auswertet. Denkbar wäre aber auch eine Lösung, bei der die Auswerteelektronik extern angeordnet ist und zum Beispiel zu der Verarbeitungseinrichtung 24 gehört.
Der Flachgestalt besitzende Flächenabschnitt 17 bewirkt zusammen mit dem an ihm flächig anliegenden Führungsabschnitt 44 der Führungseinrichtung 13 zweckmäßigerweise eine Verdrehsicherung der Kolbenstange 8 bezüglich der Ahschlußwand 6. Damit ist gewährleistet, daß die Sensoreinrichtung 18 und der Magnetstreifen 22 stets die richtige Zuordnung beibehalten.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Vierkantstange als Kolbenstange 8 einzusetzen, wobei eine ihrer vier ebenen Außenflächen 45 den Flachgestalt aufweisenden Flächenabschnitt 17 bildet. Eine derartige Bauform ist beim Ausführungsbeispiel verwirklicht, wobei der Vierkantabschnitt der Kolbenstange 8 vorzugsweise einen quadratischen Querschnitt aufweist. Bei Bedarf ließe sich im Bereich mindestens einer der weiteren ebenen Außenflächenabschnitte 45 der Kolbenstange 8 ein weiterer, insbesondere als Magnetstreifen konzipierter Meßstreifen integrieren, der ebenfalls mit einer Sensoreinrichtung zusammenarbeitet. Dadurch wäre eine miteinander gekoppelte Gesamtauswertung oder eine voneinander unabhängige Mehrfachauswertung möglich.
Denkbar wären im übrigen auch noch weitere Kolbenstangenquerschnitte, die mindestens einen ebene Flächenabschnitt aufweisen. Zu nennen wären beispielsweise Dreiecksstangen oder eine Abflachung aufweisende Rundstangen.
Somit liegt beim Ausführungsbeispiel die Integration eines Wegmeßsystems mit einer Maßverkörperung aus einem wechselpolig magnetisierten Magnetstreifen und einem dazugehörigen Sensorkopf in einen fluidbetätigten verdrehgesicherten Arbeitszylinder vor. Der Kolbenstangenquerschnitt hat mindestens eine geradlinige Teilflanke, in die eine Längsnut eingelassen ist, welche den mittels eines hochfesten Klebers fixierten Magnetstreifen aufnimmt. Die magnetfelddurchlässige, nicht magnetische Deckleiste sorgt aufgrund ihrer nichtrostenden, niederpermeabilen Eigenschaften für eine tribologisch verträgliche Abdeckung des Magnetstreifens und ist durch einen hochfesten Kleber sicher festgelegt.
Als Sensorkopf der vorliegenden Anordnung ließe sich beispielsweise ein Lesekopf des Typs Sony PL 20 verwenden. Die Gitterkonstante für die Einteilung des Magnetstreifens in einzelne Magnetfeldzonen beträgt zum Beispiel 5 mm. Für die Abtastung können bei Bedarf auch mehr als zwei Halbleitersensoren eingesetzt werden.
Der Magnetstreifen und die Deckleiste werden zweckmäßigerweise nacheinander und unabhängig voneinander in die Längsnut 23 eingeklebt.