EP0108949A1 - Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit des Kolbens eines Arbeitszylinders - Google Patents
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- F15B15/2861—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using magnetic means
Definitions
- the invention relates to a device for detecting the position and / or the speed of the piston of a working cylinder according to the preamble of claim 1.
- Such facilities are such.
- This known device has the disadvantage of being space-consuming since both the scale and the sensor are arranged outside the working cylinder.
- Another device known from DE-OS 29 45 895 for detecting the piston position is designed such that one or more magnetic tracks are provided on the piston rod, which interact with one or more magnetic field sensors and a corresponding electronic circuit.
- the magnetic field sensors of this device are arranged in the cylinder cover on the piston rod side.
- This device is arranged in a space-saving and protected manner in the cylinder, but requires a relatively complex treatment of the piston rod of the working cylinder.
- the invention is therefore based on the object of providing a device of the type mentioned at the outset which can be produced with less effort than the known devices.
- the invention offers the particular advantage of the order of any number of recesses in the piston rod in a simple manner to obtain a scale interacting with a sensor, the accuracy of which can be easily adapted to the corresponding requirements.
- a simple threaded rod provided with a coating is used as the piston rod, the pulse density emitted by the sensor can be easily changed by using threaded rods with different thread pitches.
- a working cylinder 13 which has a piston 11 connected to a piston rod 5.
- the piston 11 divides the working cylinder into a first pressure medium chamber 10 on the piston rod side and one opposite the pressure medium chamber 10 on the piston rod side second pressure medium chamber 12 arranged on the other side of the piston 11.
- the first pressure medium chamber 10 is connected via a pressure medium connection 19 and a pressure medium line 18 to a first outlet of an electrically controllable valve device 16.
- a second outlet of the valve device 16 is connected to the second pressure medium chamber 12 of the working cylinder 13 via a pressure medium line 14 and a pressure medium connection 20.
- a pressure medium line 21 connects the pressure medium inlet of the valve device 16 to a pressure medium source 22.
- the valve device 16 contains both an inlet valve and an outlet valve both for the first pressure medium chamber 10 and for the second pressure medium chamber 12 of the cylinder. At least one throttle is assigned to each outlet valve.
- the piston rod 5 has flat threads 6 over its entire length and is provided with an aluminum jacket 7. Instead of flat threads, trapezoidal or pointed threads can also be provided.
- a recess 9 is provided with a sealing ring 8, through which the piston rod 5 is led out of the working cylinder 13.
- a sensor 3, 4 provided with a pole piece 4 is arranged in the cylinder cover 23 perpendicular to the longitudinal axis of the piston rod 5. The sensor contains a permanent magnet.
- the pole piece 4 of the sensor 3, 4 is dimensioned such that when the piston rod 5 provided with thread 6 drives past the pole piece 4, several of the elevations formed by the thread 6 are not simultaneously covered by the pole piece 4.
- a signal line 2 leads from the sensor 3, 4 to an input of an electronic evaluation and control circuit 1, which contains an analog-digital converter for converting a sinusoidal voltage into square-wave pulses.
- the electronic evaluation and control circuit is connected to the valve device 16 via signal lines 15, 17.
- the evaluation circuit is designed so that it generates a pulse when the magnetic field reaches a strength that only when an increase in the thread 6 passes the pole piece 4 of the sensor 3.4 occurs.
- the pulses occurring per unit of time are counted by the evaluation circuit and the speed of the piston 11 or the piston rod 5 is thus determined.
- the actual speed determined in this way is compared with a predetermined target speed. If the ACTUAL speed value exceeds the TARGET speed value, an output signal is generated which reaches the valve device 16 via the signal line 17.
- the signal emitted by the electronic evaluation and control circuit 1 has the effect that the pressure in the first pressure medium chamber 10 of the working cylinder is reduced in a throttled manner until the actual speed of the piston 11 or the piston rod 5 corresponds to the predetermined target speed.
- the evaluation circuit is designed so that the distance. represents a defined path between two pulses, the instantaneous position of the piston 11 can be determined over the entire piston stroke.
- FIG. 2 shows a section of a working cylinder 24, from which a piston rod 29 is led out.
- the piston rod 29 is made of magnetizable material 'and points in the direction of its longitudinal axis to extend a plurality of radially inwardly extending bores 28, which are arranged at the same distance from each other.
- the bores 28 are filled with a non-magnetizable material 27.
- the piston rod 29 is sealed by a sealing ring 26, which is mounted in the wall of a recess provided in the cylinder cover 25.
- a sensor 32, 31 is arranged in the cylinder cover 25 perpendicular to the piston rod running surface in such a way that a small air gap remains between the outer surface of the piston rod 29 and the pole piece 31 of the sensor 32, 31.
- the function of this device is the same as that of the device described in FIG. 1.
- the elevations and depressions required to change the magnetic field building up between the pole piece 31 of the sensor 32, 31 and the piston rod 29 are formed by the bores 28 and the webs 30 remaining between the bores 28.
- FIG. 3 Another possibility of providing the piston rod with the required elevations and depressions is shown in FIG. 3.
- a piston (not shown), which is connected to a piston rod 36, is arranged in a cylinder 40.
- the piston rod 36 is led out of the cylinder through a recess arranged in the cylinder cover 33.
- a sealing ring 34 is arranged in the wall of the recess for the passage of the piston rod 36, which sealingly surrounds the piston rod 36.
- the piston rod 36 has circumferential grooves 4I arranged at the same distance from one another.
- the piston rod 36 is provided with a plastic jacket 35.
- a sensor 39, 38 is arranged in the cylinder cover 33 perpendicular to the longitudinal axis of the piston rod.
- the elevations and depressions required to change the magnetic field building up between the pole piece 38 of the sensor 39, 38 and the piston rod 36 are formed by the circumferential projections 37 and the circumferential grooves 41.
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Abstract
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.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen der Position oder/und der Geschwindigkeit des Kolbens eines Arbeitszylinders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- 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.
- 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.
- Diese bekannte Einrichtung hat den Nachteil, raumaufwendig zu sein, da sowohl der Maßstab als auch der Sensor außerhalb des Arbeitszylinders angeordnet sind.
- 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.
- Diese Einrichtung ist platzsparend und geschützt im Zylinder angeordnet, erfordert jedoch eine relativ aufwendige Behandlung der Kolbenstange des Arbeitszylinders.
- 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.
- Diese Aufgabe wird mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen aufgezeigt.
- 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.
- 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.
- Anhand der Zeichnungen werden nachstehend drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
- 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.
- 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.
- Die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nachstehend näher erläutert.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Es ist auch möglich, in den Bohrungen lichtreflektierende Elemente vorzusehen, welche bündig mit der Mantelfläche der Kolbenstange abschließen und mit einem Lichtsensor zusammenwirken.
- 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.
Claims (5)
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.
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