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Dokumentenidentifikation DE202007001420U1 16.05.2007
Titel Fluidischer Zylinder mit Positionserfassungseinrichtung für die Kolbenposition
Anmelder FESTO AG & Co, 73734 Esslingen, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer & Kollegen, 73730 Esslingen
DE-Aktenzeichen 202007001420
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 16.05.2007
Registration date 12.04.2007
Application date from patent application 31.01.2007
IPC-Hauptklasse G01B 7/02(2006.01)A, F, I, 20070131, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F15B 15/20(2006.01)A, L, I, 20070131, B, H, DE   F15B 15/28(2006.01)A, L, I, 20070131, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen fluidischen Zylinder mit Positionserfassungseinrichtung für die Kolbenposition gemäß der Gattung des Anspruchs 1.

Ein fluidischer Zylinder mit einer derartigen Positionserfassungseinrichtung ist beispielsweise aus der DE 4306539 C2 bekannt. Mehrere Sensoren sind an einem Trägerstab fixiert und können mit diesem in eine in Längsrichtung verlaufende Aufnahmebohrung eingeschoben und darin fixiert werden. Ein Problem einer solchen Anordnung besteht in der Justierung der Sensoren beziehungsweise des Trägerstabs relativ zu den gewünschten Messpositionen. Der Trägerstab und die darauf angeordneten Sensoren müssen daher mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Dies ist zum einen aufwendig und teuer und lässt eine spätere Korrektur der Messpositionen nur mit größerem Aufwand zu.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung gemäß der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei geringer Fertigungsgenauigkeit dennoch eine hohe Schaltgenauigkeit und eine einfache Nachjustierbarkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen fluidischen Zylinder mit Positionserfassungseinrichtung für die Kolbenposition mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Positionsmessung besteht insbesondere darin, dass in einfacher Weise durch die Justierschraube eine Justierung oder Nachjustierung der Messpositionen erfolgen kann, ohne dass irgendwelche Montagearbeiten erforderlich wären. Auch bei mit geringer Präzision gefertigtem Sensorträger kann schnell und einfach eine sehr exakte Justage erfolgen. Auch eventuelle nachträgliche Einflüsse, wie Temperaturänderungen oder mechanische Veränderungen, können schnell und einfach kompensiert werden. Die Montage des Sensorträgers und damit der Sensoren erfolgt ebenfalls schnell und mit geringem Aufwand.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung möglich.

Bei dem aus einem durch zwei Zylinderdeckel verschlossenen Zylinderrohr bestehenden Zylindergehäuse ist die Justierschraube bevorzugt am ersten Zylinderdeckel angeordnet und die Druckfeder am oder im zweiten Gehäusedeckel positioniert oder sie stützt sich an diesem zweiten Gehäusedeckel ab.

In einer bevorzugten Ausführung ist die Druckfeder am Sensorträger fixiert und greift insbesondere in den zweiten Gehäusedeckel derart ein, dass ein Deckelbereich in axialer Richtung hintergriffen wird. Hierdurch kann der Sensorträger mit Hilfe des zweiten Gehäusedeckels in den Längskanal eingeschoben und wieder aus diesem herausgezogen werden.

In einer bevorzugten Ausführung ist der Sensorträger als Platine ausgebildet und wird insbesondere in Längsnuten des Längskanals gehalten, wobei die Längsnuten nicht nur den Sensorträger in einer vorgesehenen festen Position halten, sondern diese Position kann auch noch winkelmäßig so eingestellt werden, dass die Sensoren in radialer Richtung zur Längsachse des Kolbens und damit unmittelbar zum Permanentmagneten hin ausgerichtet sind.

Wenigstens zwei magnetfeldsensitive Sensoren sind zur Erfassung der beiden Endlagenpositionen des Kolbens entsprechend positioniert, wobei optional auch noch zusätzliche Zwischenpositionen durch weitere Sensoren erfassbar sind.

In vorteilhafter Weise ist ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller (CPU) auf dem Sensorträger angeordnet und mit den Sensoren verbunden. Die CPU weist dabei in vorteilhafter Weise Mittel zur Sensorsignalmessung und -aufbereitung und/oder Mittel zur Durchführung eines Lernmodus (Teachmodus) auf. Hierdurch bildet der Sensorträger eine autarke Positionserfassungseinrichtung, die zur Bildung der Positionssignale und/oder zur Durchführung des Lernmodus keine zusätzlichen elektronischen Mittel benötigt. Weiterhin können auf dem Sensorträger noch eine Spannungsversorgungseinrichtung und zusätzliche separate Elektronikkomponenten angeordnet sein, die neben der CPU gewünschte Funktionen ausführen, wie z.B. Signalaufbereitungsfunktionen.

Der Lernmodus ist bevorzugt als Lernmodus für den Sensorsignalen zugeordnete Schaltpunkte ausgebildet. Im Rahmen des Lernmodus können dabei die Schaltschwellen so variiert werden, dass eine Feinjustierung der Schaltpositionen im Bereich einiger Millimeter auf einfache Weise möglich ist.

Von der CPU aus verlaufen Spannungs- und Signalleitungen nach außen. Zur einfachen und schnellen Durchführung des Lernmodus sind diese mit einer manuell betätigbaren Lerneinrichtung verbindbar, die vorzugsweise eine Schaltereinrichtung und optische Anzeigemittel besitzt. In einer bevorzugten Ausführung besitzt die Schaltereinheit Schalter zum Ein- und Ausschalten der Spannungsversorgung und Schalter zum Aufprägen von Signalpegeln auf die Signalleitungen. Durch festgelegte Schalterbetätigungen und in Abhängigkeit der Rückmeldungen von der CPU, die durch die optischen Anzeigemittel visualisiert werden, kann der Lernmodus schnell und einfach durchgeführt werden.

Die magnetfeldempfindlichen Sensoren sind zweckmäßigerweise als Hall-Elemente ausgebildet, wobei prinzipiell auch andere Ausführungen von magnetfeldempfindlichen Sensoren möglich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen fluidischen Zylinder im Längsschnitt mit eingeschobenem Sensorträger,

2 eine Stirnansicht des Zylindergehäuses bei abgenommenem Zylinderdeckel und eingesetztem Sensorträger,

3 das Schaltbild einer mit der CPU auf dem Sensorträger verbundenen manuell betätigbaren Lerneinrichtung und

4 einen Sensorsignalverlauf zur Erläuterung der Wirkungsweise.

Das in den 1 und 2 dargestellte fluidische Zylindergehäuse 10 besteht in an sich bekannter Weise aus einem Zylinderrohr 11, das an seinen beiden entgegengesetzten Stirnseiten durch Zylinderdeckel 12, 13 verschlossen ist. Im Zylinderrohr 11 ist ein mit einem Permanentmagneten 14 versehener Kolben 15 verschiebbar geführt, dessen Kolbenstange 16 durch den einen Zylinderdeckel 12 hindurchgeführt ist, wobei im Falle eines doppeltwirkenden Zylinders eine dichtende Durchführung erforderlich ist. Der Kolben 15 teilt den Innenraum des Zylindergehäuses 10 in zwei Zylinderräume 17, 18 auf. Deren fluidische Zuleitungen und Ableitungen sind zur Vereinfachung nicht dargestellt.

Bei einem solchen Zylindergehäuse 10 kann es sich auch um einen kolbenstangenlosen Zylinder handeln, wobei dann der Kolben 15 mit einem am Zylindergehäuse 10 geführten Schlitten mechanisch oder magnetisch verbunden ist.

Das Zylinderrohr 11 besitzt einen in Längsrichtung durchgehenden Längskanal 19 zur Aufnahme eines als langgestreckte Leiterplatte ausgebildeten Sensorträgers 20. Der Längskanal 19 weist an zwei gegenüberliegenden Stellen Nuten 21 auf, in denen der Sensorträger 20 geführt ist, um eine definierte Position im Längskanal 19 einzunehmen. Bei dem seitlich zur Mitte versetzten Längskanal 19 sind die Nuten 21 so angeordnet, dass seine zu den Zylinderräumen 17, 18 hin weisende Fläche senkrecht zu einer Radiallinie angeordnet ist.

In 2 sind noch weitere Kanäle und Bohrungen 22 beispielhaft und schematisch dargestellt. Bei solchen kann es sich um Schraubenlöcher zur Befestigung der Zylinderdeckel 12 beziehungsweise 13 oder um fluidische Kanäle handeln.

Der als langgestreckte Platine ausgebildete Sensorträger 20 trägt an seiner im eingesetzten Zustand zum Kolben 15 hin weisenden Seite drei magnetfeldempfindliche Sensoren 2325, die beispielsweise als Hall-Elemente beziehungsweise Hall-Sensoren ausgebildet sind. Die beiden äußeren Sensoren 23 und 25 dienen dabei zur Erfassung der Endlagenpositionen des Kolbens 15. An der entgegengesetzten Flachseite des Sensorträgers 20 ist im Bereich des Sensors 25, also an einem Endbereich, ein Mikroprozessor oder Mikrocontroller als CPU 26 angeordnet. Dieser ist in nicht dargestellter Weise, beispielsweise über Leiterbahnen, mit den Sensoren 2325 verbunden und empfängt deren Sensorsignale. Ein an der CPU 26 angeschlossenes Anschlusskabel 27 ist aus dem Zylindergehäuse 10 heraus nach außen geführt. Bei dem Anschluss kann es sich um einen festen Anschluss, beispielsweise einen Lötanschluss, oder einen Steckanschluss 28 handeln.

Der Sensorträger 20 ist an seinem dem Zylinderdeckel 13 zugewandten Endbereich mit einer Druckfeder 29 versehen, die im Wesentlichen S-förmig gekrümmt ist, in einen Hohlraum 30 des Zylinderdeckels 13 eingreift und dort bezüglich der Längsrichtung einen Vorsprung 31 hintergreift. Diese Druckfeder 29 drückt den Sensorträger 20 federnd gegen eine Justierschraube 32, die in einer Gewindebohrung des anderen Zylinderdeckels 12 in Längsrichtung des Sensorträgers 20 verstellbar angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Justierschraube 32 lässt sich der Sensorträger 20 und damit die daran angeordneten Sensoren 2325 in der Längsrichtung justieren beziehungsweise positionieren, wobei selbstverständlich die Positionen mit Hilfe dieser Justierschraube 32 noch nachträglich eingestellt beziehungsweise nachgestellt werden können.

Durch das Hintergreifen des Vorsprungs 31 durch die Druckfeder 29 kann der Sensorträger 20 mit Hilfe des Zylinderdeckels 13 in den Längskanal 19 eingeschoben und aus diesem wieder herausgezogen werden. Hierzu wird vor dem Einschieben die Druckfeder 29 in den Hohlraum 30 so eingeführt, dass der Vorsprung 31 hintergriffen wird.

In einer alternativen Ausgestaltung kann der Hohlraum 30 auch entfallen, und eine einfacher gestaltete Druckfeder 29 stützt sich lediglich gegen die Wandung des Zylinderdeckels 13 ab.

Die CPU 26 weist ein Lernmodus- beziehungsweise Teachmodus-Programm auf, um die jeweiligen Positionen des Kolbens 15 im Bereich der Sensoren exakt einzustellen beziehungsweise einzulernen. Zur Bedienung des Lernvorgangs dient eine manuell betätigbare Lerneinrichtung 33 oder auch eine halbautomatische Einrichtung, z.B. eine SPS-gesteuerte Schalteinrichtung, die an das Anschlusskabel 27 mittels einer elektrischen Steckverbindungseinrichtung 34 anschließbar ist. Das Anschlusskabel 27 ist ansonsten direkt mit einem elektrischen Verbindungskabel 35 verbunden, das an eine externe Spannungsversorgungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung angeschlossen ist. Zur Durchführung des Lernvorgangs wird die Verbindung zwischen dem Anschlusskabel 27 und dem elektrischen Verbindungskabel 35 gelöst, und die Lerneinrichtung 33 wird dazwischengesteckt. Das elektrische Verbindungskabel 35 wird dann seinerseits über eine Steckverbindungseinrichtung 36 mit der Lerneinrichtung 33 verbunden.

Die Lerneinrichtung 33 besitzt eine Schalteranordnung 37, wobei ein Doppelschalter 38 in zwei Spannungsversorgungsleitungen 39 geschaltet ist, um die Versorgungsspannung Uv der CPU 26 zuzuführen oder diese zu unterbrechen. Zwei weitere Schalter 40, 41 dienen zur Unterbrechung von zwei Signalleitungen 42, 43, über die die in der CPU 26 aufbereiteten Sensorsignale im Normalbetrieb einer externen Steuereinrichtung zugeführt werden. Diese beiden Signalleitungen 42, 43 sind in der Lerneinrichtung 33 über zwei Signalleuchten 44, 45, bei denen es sich beispielsweise um LED handeln kann, mit einer Verbindungsleitung 46 zur CPU 26 verbunden.

Die Wirkungsweise der Positionserfassungseinrichtung soll im Folgenden anhand von 4 erläutert werden. Die als Hall-Elemente ausgebildeten Sensoren 2325 erfassen beim Passieren des im Kolben 15 angeordneten Permanentmagneten 14 jeweils das radiale Magnetfeld, sodass sich der in 4 dargestellte Feldverlauf H ergibt. Durch Variation der jeweiligen Schaltschwelle, die in der CPU 26 niedergelegt wird, kann die jeweils erfasste Position um ca. 2 mm variiert werden, je nach Betrag der Schaltschwelle. Hierdurch kann beispielsweise auch die Hubtoleranz des erfassten Magnetfelds H ausgeglichen werden.

Im Folgenden soll die Einstellung der Schaltschwellen im Lernmodus beispielhaft erläutert werden. Eine Vorpositionierung kann dabei durch Einstellung beziehungsweise Verstellung der Justierschraube 32 erfolgen. Durch die Vorjustierung und die Justierung der Schaltschwellen im Lernmodus kann insgesamt eine sehr hohe Schaltgenauigkeit erreicht werden, sowohl im jeweils definierten Temperaturbereich als auch über alle Bauteile und Fertigungschargen hinweg.

Der folgende beispielhafte Lernvorgang bezieht sich auf die beiden Endpositionen des Kolbens 15, die durch die beiden Sensoren 23, 25 signalisiert werden sollen. Das Einlernen von Zwischenpositionen, beispielsweise einer Mittelposition, durch den Sensor 24 kann in entsprechender Weise erfolgen.

Zunächst wird der Kolben 15 in eine Mittelstellung gebracht. Dann werden durch entsprechende Schalterstellungen der Schalter 40, 41 Signalpegel H (High) auf die beiden Signalleitungen 42, 43 gelegt, also auf die Schaltausgänge der CPU 26. Dann wird durch Umlegen des Doppelschalters 38 die Spannungsversorgung mit Versorgungsspannung Uv an die CPU 26 angelegt. Anschließend werden durch Umlegen der Schalter 40, 41 Schaltpegel L (Low) auf die Signalleitungen 42, 43 gelegt. Diese Schaltfolge signalisiert der CPU 26, dass das Lernprogramm gestartet werden soll. Dies kann selbstverständlich auch durch andere Schaltfolgen bewirkt werden.

Die CPU 26 signalisiert dann den Beginn des Lernprogramms durch Taktsignale auf den Signalleitungen 42, 43, die ein Blinken der Signalleuchten 44, 45 bewirken.

Nun wird der Kolben 15 in die linke Endposition am Zylinderdeckel 13 gebracht, um diese Position einzulernen. Die Spannungsversorgung wird mittels des Doppelschalters 38 dann ausgeschaltet, und die Signalleitung 42, die dem Schaltausgang dieser Kolbenposition entspricht, wird mit dem Signalpegel H und die Signalleitung 43 mit dem Signalpegel L beaufschlagt. Dann wird die Spannungsversorgung wieder eingeschaltet. Die linke Endposition des Kolbens 15 ist damit eingelernt, und als Erfolgsbestätigung blinkt die linke Signalleuchte 44.

Nun wird der Kolben 15 in die entgegengesetzte Endposition am Zylinderdeckel 12 gebracht, und die Spannungsversorgung wird ausgeschaltet. Die Signalleitung 42 wird mit dem Signalpegel L und die Signalleitung 43 mit dem Signalpegel H beaufschlagt. Anschließend wird die Spannungsversorgung wieder eingeschaltet. Die rechte Endposition ist damit eingelernt, und als Erfolgsbestätigung blinkt die rechte Signalleuchte 45. Durch Ausschalten und anschließendes Wiedereinschalten wird der Lernmodus abgeschlossen.

Der Lernmodus kann selbstverständlich auch durch andere Signalbetätigungen und andere Schaltfolgen der Versorgungsspannung bewirkt werden. Wesentlich ist dabei, dass eine einfache Lerneinrichtung 33 verwendet werden kann, die nur einfache Schalter und Signalleuchten, beispielsweise LED, aufweist.

Der Lernmodus kann noch durch weitere Funktionen ergänzt werden. Beispielsweise kann dieser automatisch beendet werden, wenn die vorgesehene Betätigungsfolge der Schalteranordnung 37 nicht eingehalten wird. Wird während des Lernvorgangs ein Fehler festgestellt, kann ein solcher durch schnelles Wechsel-Blinken der beiden Signalleuchten 44, 45 angezeigt werden. Solche möglichen Fehler sind beispielsweise, dass sich der Magnet 14 außerhalb des beschriebenen Toleranzbereichs der Sensoren 23, 25 befindet, dass ein fehlerhafter Sensor oder ein falsch positionierter Kolben 15 vorliegt, dass eine falsche Spannungspolarität vorliegt oder dergleichen.


Anspruch[de]
Fluidischer Zylinder mit Positionserfassungseinrichtung für die Kolbenposition, mit einem Zylindergehäuse, in dem ein mit einem Permanentmagneten versehener Kolben verschiebbar geführt ist, und mit einem Längskanal im Zylindergehäuse zur Aufnahme eines wenigstens zwei magnetfeldsensitive Sensoren aufweisenden langgestreckten Sensorträgers, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (20) an einem Gehäuseendbereich an einer Justierschraube (32) zur Axialjustierung anliegt und sich am entgegengesetzten Gehäuseendbereich an einer Druckfeder (29) abstützt. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylindergehäuse (10) aus einem durch zwei Zylinderdeckel (12, 13) verschlossenen Zylinderrohr (11) besteht, dass die Justierschraube (32) am ersten Zylinderdeckel angeordnet ist und die Druckfeder (29) am oder im zweiten Gehäusedeckel (13) positioniert ist oder sich an diesem zweiten Gehäusedeckel (13) abstützt. Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (29) am Sensorträger (20) fixiert ist und insbesondere in den zweiten Gehäusedeckel (13) derart eingreift, dass ein Deckelbereich (31) in axialer Richtung hintergriffen wird. Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (20) als Platine ausgebildet ist und insbesondere in Längsnuten (21) des Längskanals (19) gehalten ist. Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetfeldsensitive Sensoren (23, 25) zur Erfassung der beiden Endlagenpositionen des Kolbens (15) positioniert sind. Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine als Mikroprozessor oder Mikrocontroller ausgebildete CPU (26) auf dem Sensorträger (20) angeordnet und mit den Sensoren (2325) verbunden ist Zylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU (26) Mittel zur Sensorsignalmessung und -aufbereitung und/oder Mittel zur Durchführung eines Lernmodus (Teachmodus) aufweist. Zylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lernmodus als Lernmodus für den Sensorsignalen zugeordnete Schaltpunkte ausgebildet ist. Zylinder nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass von der CPU (16) aus Spannungs- und Signalleitungen (39, 42, 43) nach außen geführt und mit einer manuell betätigbaren Lerneinrichtung (33) verbindbar sind. Zylinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lerneinrichtung (33) eine Schaltereinrichtung (37) und optische Anzeigemittel und/oder akustische Anzeigemittel (44, 45) besitzt. Zylinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltereinrichtung (37) Schalter (38) zum Ein- und Ausschalten der Spannungsversorgung und Schalter (40, 41) zum Aufprägen von Signalpegeln auf die Signalleitungen (42, 43) besitzt. Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfeldempfindlichen Sensoren (2325) als Hall-Elemente ausgebildet sind.






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