DE10125308A1

DE10125308A1 - MR-kompatibles Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem

Info

Publication number: DE10125308A1
Application number: DE10125308A
Authority: DE
Inventors: Guido Grimm; Oliver Wendt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-11-28

Abstract

Die vorgestellte Erfindung beschreibt ein neues System, das einen Gegenstand um einen genau definierten Weg bewegen kann, indem zwei Verstellkolben (2) und (3), die sich beide in einem Behälter (1) unabhängig voneinander fluidisch ansteuern lassen, Bewegungen ausführen und diese Bewegungen mittels eines Verbindungselementes (4) auf einen sich außerhalb des Behälters (1) befindlichen Gegenstand übertragen lassen, wobei genau definierte Verstellwege der Verstellkörper durch ein Messsystem (7) realisiert werden können.

Description

Die vorgestellte Erfindung beschreibt ein neues System, das einen Gegenstand um einen genau definierten Weg bewegen kann, indem zwei Verstellkolben, die sich beide in einem Behälter unabhängig voneinander fluidisch ansteuern lassen, Bewegungen ausführen und diese Bewegungen mittels eines Verbindungselementes auf einen sich ausserhalb des Behälters befindlichen Gegenstand übertragen lassen, wobei genau definierte Verstellwege der Verstellkörper durch ein Messsystem realisiert werden können. Dadurch ist die Möglichkeit einer sehr kompakten Konstruktion gegeben, die z. B. medizinische Instrumente mit hoher Genauigkeit positionieren kann. Das vorliegende Antriebs- und Anschlagsystem ist aus Werkstoffen gefertigt, die keine Wechselwirkungen mit Magnetfeldern aufweisen. Dadurch ist das vorgestellte System MR-kompatibel, d. h. es kann direkt im Isozentrum eines Kernspintomographen eingesetzt werden. Das vorgestellte Antriebs- und Anschlagsystem benötigt keinen separaten Hydraulikanschluß, da die für die Verstellung des Anschlagkolbens erforderliche Volumenverschiebung eines Hydraulikmediums nicht über die Systemgrenze hinausgeht. Die Volumenverschiebung des Hydraulikmediums wird durch einen Hydraulikzylinder erreicht, der sich in der Steuerungseinheit befindet und dessen Kolbenbewegungen ausschließlich pneumatisch gesteuert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gegenstand um einen genau definierten Weg zu bewegen und dieses zu erreichen, indem in einem Behälter zwei Verstellkörper, die unabhängig voneinander fluidisch ansteuerbar sind, Bewegungen ausführen und diese Bewegungen mittels eines Verbindungselementes auf einen sich ausserhalb des Behälters befindlichen Gegenstand übertragen werden, wobei definierte Verstellwege der Verstellkörper (2) und (3) durch ein Messsystem realisiert werden können.

Die vorliegende Aufgabe wird gelöst durch ein fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 7.

Vier verschiedene Ausführungsbeispiele werden anhand der Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführung des fluidisch gesteuerten Antriebs- und Anschlagsystems, mit einer Wegmessung ausserhalb des Behälters.

Fig. 2 Ausführung des fluidisch gesteuerten Antriebs- und Anschlagsystems, mit einer Wegmessung innerhalb des Behälters, wobei der Wegsensor an dem Zylinderdeckel (5) angebracht ist.

Fig. 3 Ausführung des fluidisch gesteuerten Antriebs- und Anschlagsystems, mit einer Wegmessung innerhalb des Behälters, wobei der Wegsensor an dem Verstellkörper (3) angebracht ist.

Fig. 4 Ausführung des fluidisch gesteuerten Antriebs- und Anschlagsystems, mit einer indirekten Wegmessung ausserhalb des Behälters, indem die Volumendifferenz des Hydraulikmediums in dem Behälter vor und nach der Bewegung des Verstellkörpers (3) bestimmt wird.

Nach Fig. 1 befinden sich in einem Zylinder (1) der Verstellkolben (2), der auf die Kolbenstange (4) geschraubt ist und der Anschlagkolben (3), der sich auf der Kolbenstange (4) zwischen dem Verstellkolben (2) und dem Zylinderdeckel (5) verschieben läßt. In den Anschlagkolben (3) ist eine Stange (6) geschraubt, die durch den Zylinderdeckel (5) geht. Ausserhalb des Zylinders (1) ist am Ende der Stange (6) ein optischer Wegsensor (7) befestigt, der über die Leitung (19) mit der Steuerungseinheit (12) verbunden ist. Die Steuerungseinheit (12) ist über die Druckluftleitung (21) mit einer permanenten Druckluftquelle verbunden. Am Zylinderdeckel (5) ist eine Halterung befestigt, auf die ein reflektierendes Raster geklebt wird. Das Raster besteht aus einer reflektierenden Folie, auf die eine mit schwarzem Gitter bedruckte Klarsichtfolie geklebt wird. In Verbindung mit diesem Raster bildet der optische Sensor ein inkrementales Wegmesssystem, das elektrische Impulse an die Steuerungseinheit (12) übermittelt. Über die Druckluftleitung (9) kann Druckluft durch den Zylinderdeckel (13) in den Zylinder (1) strömen. Über die Hydraulikleitung (11) kann ein Hydraulikmedium durch die Kolbenstange (4) in den Zylinder (1) zwischen den Anschlagkolben (3) und den Verstellkolben (2) strömen. Über die Druckluftleitung (10) kann Druckluft durch den Zylinderdeckel (5) in den Zylinder (1) strömen. In den Druckluftleitungen (9) und (10) und der Hydraulikleitung (11) sind Drei-Wege-Hähne (14), (15) und (16) zwischengeschaltet, die von der Steuerungseinheit (12) über die Steuerleitungen (17), (18) und (20) gestellt werden.

Das System befindet sich in der Ausgangsposition, wenn der Verstellkolben (2) am Zylinderdeckel (13) anliegt und der Anschlagkolben (3) am Verstellkolben (2) anliegt. Der gewünschte Vorschubweg des Verstellzylinders (2) wird in die Steuerungseinheit (12) eingegeben. Die Steuerungseinheit (12) stellt dann die Drei-Wege-Hähne (15) und (16) in der Weise, dass ein Hydraulikmedium über die Leitung (11) und die Kolbenstange (4) in den Zylinderraum zwischen den Verstellkolben (2) und den Anschlagkolben (3) strömt und die Luft zwischen dem Zylinderdeckel (5) und dem Anschlagkolben (3) aus dem Zylinder (1) entweichen kann. Durch das in den Zylinder (1) strömende Hydraulikmedium werden der Verstellkolben (2) und der Anschlagkolben (3) voneinander weg gedrückt. Da der Verstellkolben (2) am Zylinderdeckel (13) anliegt, bewegt sich nur der Anschlagkolben (3). Mit dem Anschlagkolben (3) bewegt sich der optische Wegsensor (7) über das reflektierende Raster und gibt über die Leitung (19) elektrische Impulse an die Steuerungseinheit (12). Die Steuerungseinheit (12) berechnet anhand der gezählten Impulse den vom optischen Sensor (7) zurückgelegten Weg und vergleicht ihn mit dem eingegebenen Vorschubweg. Entspricht der vom optischen Sensor (7) zurückgelegte Weg dem eingestellten Vorschubweg, stellt die Steuerungseinheit (12) den Drei-Wege-Hahn (16) in eine Absperrstellung, so dass kein Hydraulikmedium mehr in den oder aus dem Zylinder (1) fließen kann. Die Steuerungseinheit (12) stellt dann die Drei-Wege-Hähne (14) und (15) in die für einen Vorschub des Verstellkolbens (2) erforderlichen Stellungen. Sind die Drei-Wege-Hähne (14) und (15) für einen Vorschub des Verstellkolbens (2) gestellt, strömt Druckluft über die Druckluftleitung (9) in den Zylinder (1) und drückt den Verstellkolben (2), den Anschlagkolben (3) und sich das dazwischen befindende Hydraulikmedium vom Zylinderdeckel (13) weg, bis der Anschlagkolben (3) den Zylinderdeckel (5) erreicht. Die sich zwischen Zylinderdeckel (5) und Anschlagkolben (3) befindende Luft entweicht währenddessen über die Druckluftleitung (10) und den von der Steuerungseinheit (12) entsprechend gestellten Drei-Wege-Hahn (15). Hat der Anschlagkolben (3) den Zylinderdeckel (5) erreicht, stoppt die Bewegung und die Kolbenstange (4) hat den in die Steuerungseinheit (12) eingegebenen Vorschubweg zurückgelegt. Das System kann nach erfolgtem Vorschub wahlweise wieder in die Ausgangsposition versetzt werden, um einen neuen Vorschubweg einzugeben oder das System wird in die Position versetzt, die einen erneuten Vorschub mit dem bereits eingestellten Vorschubweg ermöglicht. Soll das System in die Ausgangsposition versetzt werden, stellt die Steuerungseinheit (12) die Drei-Wege-Hähne (14), (15) und (16) in die dafür erforderlichen Stellungen. Sind die Drei-Wege-Hähne (14), (15) und (16) von der Steuerungseinheit (12) in die für ein Zurückversetzen erforderliche Ausgangsposition gestellt, strömt Druckluft über die Druckluftleitung (10) in den Zylinderraum (1) zwischen Zylinderdeckel (5) und Anschlagkolben (3) und drückt den Anschlagkolben (3) vom Zylinderdeckel (5) weg. Das sich zwischen Anschlagkolben (3) und Verstellkolben (2) befindende Hydraulikmedium wird über die Kolbenstange (4) und die Hydraulikleitung (16) aus dem Zylinder (1) gedrückt. Der Verstellkolben (2) wird währenddessen in Richtung des Zylinderdeckels (13) gedrückt und die Luft aus dem Zylinderraum (1) zwischen dem Verstellkolben (2) und dem Zylinderdeckel (13) entweicht über die Druckluftleitung (9) und den Drei-Wege-Hahn (14) in die Umgebung. Hat der Verstellkolben (2) den Zylinderdeckel (13) erreicht und liegt der Anschlagkolben (3) am Verstellkolben (2) an, ist die Ausgangsposition des Systems hergestellt.

Soll das System nach durchgeführtem Vorschub einen erneuten Vorschub mit dem selben Vorschubweg fahren, bleibt nach Erreichen der Kolbenstangenendposition der Drei-Wege- Hahn (16) in seiner eingestellten Stellung, die ein Zurückfließen des Hydraulikmediums aus dem Zylinderraum (1) verhindert und der Drei-Wege-Hahn (14) wird von der Steuerungseinheit (12) so gestellt, dass die Luft aus dem Zylinderraum zwischen dem Verstellkolben (2) und dem Zylinderdeckel (13) über die Druckluftleitung (9) und den Drei- Wege-Hahn (14) an die Umgebung abströmen kann. Die Steuerungseinheit (12) stellt dann den Drei-Wege-Hahn (15) in die erforderliche Stellung und die Druckluft strömt über die Druckluftleitung (10) in den Zylinder (1) und drückt den Anschlagkolben (3) den Verstellkolben (2) und das sich dazwischen befindende Hydraulikmedium in Richtung des Zylinderdeckels (13). Der Abstand vom Anschlagkolben (3) und dem Verstellkolben (2) bleibt dabei unverändert. Hat der Verstellkolben (2) den Zylinderdeckel (13) erreicht, hat das System die gewählte Position erreicht und ist für einen erneuten Vorschub mit dem bereits eingestellten Vorschubweg eingestellt. Über den Drei-Wege-Hahn (16) kann die Hydraulikleitung entlüftet werden.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antriebs- und Anschlagsystems, bei dem sich, im Gegensatz zur Fig. 1, das Messsystem (7) innerhalb des Behälters (1) befindet. Hierbei erfolgt die Wegmessung des Verstellkörpers (3) durch einen Ultraschallsensor (7), der am Zylinderdeckel (5) befestigt ist und durch eine Laufzeitmessung die Entfernung des Verstellkörpers (3) zum Zylinderdeckel (5) feststellt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antriebs- und Anschlagsystems, bei dem sich, im Gegensatz zur Fig. 1, das Messsystem (7) innerhalb des Behälters (1) befindet. Hierbei erfolgt die Wegmessung des Verstellkörpers (3) durch einen Ultraschallsensor (7), der am Verstellkolben (3) befestigt ist und durch eine Laufzeitmessung die Entfernung des Verstellkörpers (3) zum Zylinderdeckel (5) feststellt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Antriebs- und Anschlagsystems, mit einer indirekten Wegmessung ausserhalb des Behälters, indem die Volumendifferenz des Hydraulikmediums in dem Behälter vor und nach der Bewegung des Verstellkörpers (3) bestimmt wird. 1 Zylinder
2 Verstellkolben
3 Anschlagkolben
4 Kolbenstange
5 Zylinderdeckel
6 Stange
7 Optischer Wegsensor (Fig. 1), Ultraschallsensor (Fig. 2 und Fig. 3), Volumendifferenz messung (Fig. 4)
8 Messsystemkomponente
9 Druckluffleitung
10 Druckluftleitung
11 Hydraulikleitung
12 Steuerungseinheit
13 Zylinderdeckel
14 Drei-Wege-Hahn
15 Drei-Wege-Hahn
16 Drei-Wege-Hahn
17 Steuerleitung für Drei-Wege-Hahn (14)
18 Steuerleitung für Drei-Wege-Hahn (15)
19 Leitung zum Wegsensor
20 Steuerleitung für Drei-Wege-Hahn (16)
21 Permanenter Druckluftanschluß

Claims

1. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei unabhängig voneinander bewegliche Verstellkörper (2) und (3) in einem Behälter (1) in der Art untergebracht sind, dass durch Einströmen von Gasen oder Flüssigkeiten in den Behälter (1) mindestens einer dieser Verstellkörper (2) oder (3) zum Bewegen und einer zum gezielten Abbremsen eines sich ausserhalb des Behälters (1) befindlichen Gegenstandes, der z. B. ein medizinisches Instrument sein kann, dient, wobei definierte Verstellwege dieser Verstellkörper (2) und (3) mit Hilfe eines Messsystems (7) realisiert werden können.

2. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellkörper (2) über ein Verbindungselement (4) mit dem zu bewegenden Gegenstand verbunden ist und sich ein Verstellkörper (3) entlang des Verbindungselementes (4) frei verschieben lässt.

3. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Behälter (1) und den Verstellkörpern (2) und (3) mindestens zwei Kammern existieren, die mit einer Flüssigkeit oder einem Gas gefüllt werden können, wodurch Vor- und Rückbewegungen der Verstellkörper (2) und (3) unabhängig voneinander möglich sind.

4. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem (7) existiert, dass beispielsweise ein optisches, elektronisches oder mechanisches Messsystem (7) sein kann und mindestens ein Verstellkörper (2) oder (3) oder ein nicht bewegtes Teil mit einer Komponente dieses Messsystems (7) verbunden ist, wodurch sich mit Hilfe einströmender Gase oder Flüssigkeiten in die entsprechende Behälterkammer, definierte Vorschub- bzw. Rückstellwege dieses Verstellkörpers (2) bzw. (3) einstellen lassen.

5. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem existiert, das mit keinem der Verstellkörper (2) oder (3) verbunden ist und durch Messen der Volumenverschiebung des dem Behälter (1) zu- oder abgeführten Fluids, die Verstellwege der Verstellkörper (2) und (3) realisiert werden können.

6. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Sensor (7) direkt am Verstellkörper (2) oder (3) innerhalb des Behälters (1) oder über ein Verbindungselement (6) ausserhalb des Behälters befindet und angewendet werden kann.

7. Fluidisch gesteuertes Antriebs- und Anschlagsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das System aus nicht magnetischen Werkstoffen, beispielsweise aus Kunststoff, Keramik, Holz, Glas oder para- bzw. diamagnetischen Metallen, besteht.