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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Positionserfassung
eines innerhalb eines Zylindergehäuses untergebrachten druckmittelbeaufschlagbaren
Kolbens mit einem zumindest in einem Endanschlagbereich des Hubes
ortsfest zum Zylindergehäuse
angeordneten analogen Positionssensor, der mit einer Programmiereinheit
zur Speicherung mindestens einer Kolbenstellung in Verbindung steht,
die im Bereich des Zylindergehäuses
angeordnet ist.
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Das
Einsatzgebiet derartiger Einrichtungen zur Positionserfassung erstreckt
sich vornehmlich auf den Bereich der Automatisierungstechnik. Insbesondere
pneumatische Systeme – wie
Handhabungsvorrichtungen für
Werkstücke
oder Werkzeuge – besitzen
gewöhnlich
mehrere Pneumatikzylinder als Linearantriebe (Aktoren), welche nach
Maßgabe einer übergeordneten
Steuerung druckluftbetrieben lineare Bewegungen zu Handhabungs-
oder Transportzwecken erzeugen.
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Aus
der
DE 203 18 620
U1 geht eine gattungsgemäße Einrichtung zur Positionserfassung hervor.
Exemplarisch ist hier ein Pneumatikzylinder offenbart, der über ein
Ventil nach Maßgabe
einer übergeordneten
Steuerung beaufschlagt wird. Zur Erfassung der aktuellen Kolbenstellung
des im Zylindergehäuse
des Pneumatikzylinders integrierten Kolbens sind in beiden Endanschlagbereichen
des Kolbens Positionssensoren ortsfest zum Zylindergehäuse angeordnet.
Es handelt sich hierbei um analoge Positionssensoren, welche somit
in der Lage sind, die Kolbenposition entlang der gesamten Wegstrecke
des Endanschlagbereiches stufenlos zu erfassen. Hierbei ist eine
Vorgabe derjenigen Kolbenstellung entlang des Endanschlagbereiches
erforderlich, welche die übergeordnete
Steuerung als Kolbenendposition interpretiert. Diese Kolbenendposition
muss nicht mit dem tatsächlichen
Endanschlag des Kolbens identisch sein, um beispielsweise durch
vorgelagerte Erkennung einen harten Kolbenendanschlag mittels entsprechender
Gegensteuerung zu vermeiden. Zu diesem Zwecke wird zunächst der
Kolben manuell oder über
Druckmittelbeaufschlagung mittels des Ventils in eine gewünschte Stellung
gebracht, die vom analogen Positionssensor als Anschlagposition
erfasst wird. Diese Stellung wird dann von der Programmiereinheit
als aktuelle Anschlagposition in einen nichtflüchtigen Speicher einprogrammiert.
Diese Lösung
bietet den Vorteil, dass die Positionserfassung der Kolbenstellung über eine
Ferneinstellung durchgeführt
werden kann, welche einen direkten Zugang zum Pneumatikzylinder überflüssig macht
und somit die aufwändige
Aus- und Einbauarbeit von ansonsten üblichen binären Positionssensoren und deren
Justage entlang des Zylindergehäuses erspart.
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Ein
Nachteil der bekannten Lösung
besteht jedoch darin, dass die ortfern vom Pneumatikzylinder angeordnete
Programmiereinheit die Einstellung der vom Positionssensor zu erfassenden
mindestens einer Kolbenstellung erschwert. Denn hierfür ist es
erforderlich, dass der Bediener oder Einrichter Arbeiten am Pneumatikzylinder
ausführen
muss, um beispielsweise die gewünschte
Kolbenstellung an der Kolbenstange einzustellen, bei welcher eine
Positionserfassung stattfinden soll. Zwar schlägt der vorstehend zitierte
Stand der Technik vor, anstelle eines in die ortsferne übergeordnete
Steuerung integrierten Programmiergeräts ein mobiles Programmiermodul zu
verwenden, jedoch ist die Programmierbarkeit des oder der Positionssensor(en)
dann an das Anschließen
dieses Zusatzgeräts
gebunden, was einen zusätzlichen
gerätetechnischen
Aufwand für
das gesamte pneumatische System verursacht.
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Aus
der
DE 44 38 164 A1 geht
eine gattungsgemäße Einrichtung
zur Positionserfassung bei einem Druckmittelzylinder hervor. Die
Einrichtung umfasst einen innerhalb einer längsverlaufenden Gehäusenut untergebrachten
Positionssensor mit einer integrierten Signalverarbeitungselektronik.
Diese Signalverarbeitungselektronik bildet eine Art Steuerelektronik
mit Steuerprogramm für
den Positionssensor. Eine Programmierung erfolgt hier allerdings
aus der Ferne über
einen per Kabel anzuschließenden Computer.
Denn die Form des Positionssensors sowie dessen Unterbringung am
Druckmittelzylinder lässt
bereits aus den herrschenden geometrischen Verhältnissen wenig Raum für andere
Gestaltungsmöglichkeiten.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung
zur Positionserfassung eines innerhalb eines Zylindergehäuses untergebrachten
druckmittelbeaufschlagbaren Kolbens mit zumindest in einem im Anschlagbereich
des Hubes angeordneten analogen Positionssensor zu schaffen, welche
in einfacher Weise eine flexible Programmierung und Umprogrammierung
der durch den Positionssensor zu detektierenden Kolbenstellung(en)
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die
nachfolgenden abhängigen
Ansprüche geben
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die Programmiereinheit für den Positionssensor
im Bereich des Zylindergehäuses
angeordnet ist und Bedienmittel zum Auswählen und Zuweisen einer vom
Positionssensor zu erfassenden Kolbenstellung aufweist, welche mit
direkt benachbarten Anzeigemitteln zur optischen Hilfestellung bei
der Programmierung verknüpft
sind.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Programmiereinheit
liegt insbesondere darin, dass dem Bediener/Einrichter des pneumatischen
Systems die Einstellung der Pneumatikzylinder erheblich vereinfacht
wird, so dass die Initiierung des pneumatischen Systems oder deren
Umstellung auf andere Bewegungsabläufe recht zügig erfolgen kann. Die direkt am
Zylindergehäuse
des Pneumatikzylinders angebrachte und mit den für die Programmierung erforderlichen
Bedien- und Anzeigemitteln ausgestattete Programmiereinheit ermöglicht eine
intuitive Programmierung von Kolbenstellungen, welche durch die übergeordnete
Steuereinheit nach der Maßgabe
eines Steuerungsprogramms weiterverarbeitet werden, am beispielsweise
Folgeaktionen innerhalb des pneumatischen Systems auszulösen.
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Vorzugsweise
ist die Programmiereinheit als ein auf dem Zylindergehäuse lösbar befestigtes Flachmodul
ausgebildet. Die lösbare
Befestigung kann in einfachster Weise durch eine Verschraubung erfolgen.
Das Flachmodul sollte sich weitestgehend an die Breite des vorzugsweise
im Wesentlichen rechteckigen Zylindergehäuses anpassen und eine minimale
Dicke besitzen, so dass die Programmiereinheit nicht zusätzlichen
Bauraum erfordert. So ist es von besonderem Vorteil, wenn die als
Flachmodul ausgebildete Programmiereinheit auf der äußeren Seitenfläche des
Zylindergehäuses
angeordnet ist, an welcher auch die Druckmittelanschlüsse vorgesehen
sind, welche ebenfalls etwas über
die im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform des Zylindergehäuses hervorstehen.
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Alternativ
hierzu kann die Programmiereinheit auch als ein in das abgehende
Verbindungskabel, welches die elektrische Verbindung zu der übergeordneten
Steuereinheit herstellt, integriert sein, wobei ortsnah zum Zylindergehäuse ein
in das Verbindungskabel integriertes Kabelmodul ausgebildet ist.
Das Kabelmodul, welches eine Art Kabelverdickung bildet, muss in
den geometrischen Abmessungen derart bemessen sein, dass die erforderliche Elektronik
sowie die Bedien- und Anzeigemittel hierin Platz finden. Ein Vorteil
dieser alternativen Detaillösung
besteht darin, dass die Programmiereinheit in Richtung des Kabelabgangs
in gewissen Grenzen flexibel positionierbar ist und die äußeren geometrischen
Abmessungen des Zylindergehäuses
nicht beeinflusst.
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Genauso
ist es denkbar, die Programmiereinheit als ein in einem Anschlussstecker
des Positionssensors am Zylindergehäuse angeordnetes Steckermodul
auszubilden. Der Anschlussstecker für das elektrische Verbindungskabel
zur übergeordneten
Steuereinheit kann also bei entsprechender geometrischer Dimensionierung
direkt auch zur Unterbringung der Programmiereinheit genutzt werden. Diese
alternative Detaillösung
stellt somit einen höheren
Integrationsgrad im Vergleich zu der vorstehend angegebenen alternativen
Detaillösung
dar.
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Die
Bedienmittel der erfindungsgemäßen Einrichtung
können
in besonders einfacher Weise in Form einer SELECT-Taste sowie einer
SET-Taste ausgebildet werden. Die SELECT-Taste dient hierbei zum
Auswählen
des zu belegenden Kolbenstellungsspeicherplatzes, wogegen die Set-Taste
zum nachfolgenden Zuweisen der aktuellen Position des Kolbens zu
dem zuvor ausgewählten
Kolbenstellungsspeicherplatz dient. Mithilfe dieser einfachen Zwei-Tasten-Bedienung kann eine
vollständige
Programmierung des analogen Positionssensors erfolgen. Weitere Bedienelemente
sind insoweit nicht erforderlich.
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Besonders
bauraumsparend können
die SELECT-Taste sowie SET-Taste nach Art von fingerdrucksensitiven
Folientasten ausgebildet werden. Durch diese spezielle Ausgestaltungsform
ist die innenliegende Elektronik der Programmiereinheit in einfacher
Weise vor schädigenden äußeren Umweltbedingungen
geschützt.
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Die
funktional mit den Bedienmitteln verknüpften Anzeigemittel können in
einfacher Weise aus je einer binären
Leuchtanzeige pro Kolbenstellung bestehen. Als binäre Leuchtanzeige eignet
sich beispielsweise ein farbiges LED-Element. Ein besonderer Vorteil
ergibt sich daraus, dass die einzelnen Leuchtanzeigen auf einem
Anzeigefeld der Programmiereinheit in der Reihenfolge des Hubes
des Kolbens und in dessen Bewegungsrichtung angeordnet sein sollten,
um eine einfache, intuitive Programmierung zu ermöglichen.
Zusätzlich
können
die Leuchtanzeigen innerhalb eines den Pneumatikzylinder darstellenden
Piktogramms angeordnet sein.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein analoger Positionssensor
pro Endanschlagbereich des Hubes vorgesehen werden, um lediglich
die Endanschlagstellung zu erfassen. Genauso ist es auch denkbar,
einen einzigen analogen Positionssensor entlang des gesamten Kolbenhubes
anzuordnen, was den Vorteil einer vollständigen Positionserfassung entlang
des Kolbenhubes bietet.
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Der
zur Ermittlung der Endanschlagspositionen oder des gesamten Hubes
verwendete analoge Positionssensor ist vorzugsweise nach Art eines
Folienpotentiometers ausgebildet und innerhalb eines geschlossenen
Sensorkanals des Zylindergehäuses platzsparend
untergebracht. Das Folienpotentiometer ist innerhalb des geschlossenen
Sensorkanals optimal vor schädigenden äußeren Umwelteinflüssen geschützt. Ein
geeignetes Folienpotentiometer ist an sich bekannt, beispielsweise
aus der
DE 43 35 004 A1 .
Das Folienpotentiometer besteht aus einem unteren Träger, auf
dem eine Widerstandsstrecke aufgebracht ist. Ein oberer Träger ist
vorgesehen, auf dem eine dem Bahnverlauf der Widerstandsstrecke folgende
Kontaktelektrode aufgebracht ist, die der Widerstandsstrecke getrennt
durch einen Isolierrahmen in elektrischem Isolierabstand gegenüberliegt und
durch Andrücken
des oberen Trägers
mit der Widerstandsstrecke in elektrische Verbindung bringbar ist.
Entsprechende elektrische Anschlusspole an den Enden der Widerstandstrecke
sowie an der Kontaktelektrode sind vorgesehen, so dass anhand des durch
Andrücken
des oberen Trägers
sich ändernden elektrischen
Widerstands der Ort des Andrückpunktes
(gleich Kolbenposition) über
eine entsprechende Auswertelektronik erfassbar ist. Bei dem hier
vorliegenden speziellen Einsatzfall wird der örtliche Andrückpunkt
magnetisch über
einen an der Peripherie des Kolbens angeordneten Permanentmagneten über Ausübung von
entsprechenden Zugkräften
auf die Kontaktelektrode erreicht.
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Gemäß einer
weiteren, die Erfindung verbessernde Maßnahme besitzt der geschlossene
Sensorkanal einen flachen, schlitzförmigen Querschnitt. Der Sensorkanal
ist also an die Grundform eines Folienpotentiometers angepasst und
eignet sich daher zur Anordnung im engen Wandungsbereich des im
Querschnitt gesehenen im Wesentlichen rechteckigen Zylindergehäuses, und
zwar zwischen einer flachen Außenseite
und dem Innenraum zur Aufnahme des Kolbens.
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Als
weitere alternative Ausgestaltungsformen wird vorgeschlagen, dass
die Programmiereinheit über
das mindestens eine, hiervon abgehende Verbindungskabel oder alternativ
auch über
eine Art Datenfunkeinheit mit der übergeordneten Steuereinheit
in Verbindung gebracht werden kann. Die Kommunikation zwischen der
Programmiereinheit und der übergeordneten
Steuereinheit kann im einfachsten Falle als monodirektionale Verbindung
ausgestaltet sein. Hierbei werden lediglich die vom Positionssensor
erfassten Signale über
die Kolbenstellung in Richtung übergeordnete
Steuereinheit übermittelt. Es
ist jedoch auch möglich,
hier eine bidirektionale Verbindung zwischen Programmiereinheit
und übergeordneter
Steuereinheit vorzusehen. Die Verbindung von der übergeordneten
Steuereinheit zur Programmiereinheit kann dann vorzugsweise dazu
genutzt werden, eine Speicherung der mindestens einen Kolbenstellung
alternativ auch aus der Ferne auszuführen. Zu diesem Zwecke kann
die übergeordnete
Steuereinheit auch mit einer entsprechend geeigneten Software ausgestattet
werden.
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Weitere
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Außenansicht
eines Druckmittelzylinders mit einer Einrichtung zur Positionserfassung,
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2a einen
Längs-Teilschnitt
durch den Druckmittelzylinder nach 1 im Bereich
einer Programmiereinheit,
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2b einen
Querschnitt durch den Druckmittelzylinder nach 2a im
Schnitt B-B,
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2c eine
Detaildarstellung des Druckmittelzylinders nach 2a (Detail
X),
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3a eine
Seitenansicht des Druckmittelzylinders nach 1 als erstes
Ausführungsbeispiel für eine Programmiereinheit,
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3b eine
Seitenansicht eines Druckmittelzylinders entsprechend einer zweiten
Ausführungsform
für die
Programmiereinheit,
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3c eine
Seitenansicht eines Druckmittelzylinders entsprechend einer weiteren
Ausführungsform
für eine
Programmiereinheit,
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4a eine
Draufsicht auf das Bedienfeld der als Flachmodul ausgebildeten Programmiereinheit
nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
und
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4b eine
Draufsicht auf das Bedienfeld der als Flachmodul ausgebildeten Programmiereinheit
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Der
in 1 dargestellte Pneumatikzylinder besteht im Wesentlichen
aus einem extrudierten Zylindergehäuse 1, in dem ein – hier nicht
erkennbarer – Kolben
untergebracht ist, welcher mit einer Kolbenstange 2 in
Verbindung steht, die den Pneumatikzylinder zu einer Stirnseite
hin abgedichtet durchdringt. Eine Hin- und Herbewegung der Kolbenstange 2 wird über eine
entsprechend wechselseitige Druckluftbeaufschlagung des innenliegenden
Kolbens über
die äußeren Druckmittelanschlüsse 3a und 3b erzeugt. An
der den Druckmittelanschlüssen 3a und 3b zugeordneten
Außenseite 4 des
Zylindergehäuses 1 ist eine
in Gestalt eines Flachmoduls 5 ausgebildete Programmiereinheit
lösbar über eine
Schraubverbindung befestigt. Die Programmiereinheit dient der Speicherung
mindestens einer Kolbenstellung des Pneumatikzylinders und meldet
während
des normalen Betriebs des Pneumatikzylinders das Erreichen der zuvor
gespeicherten Kolbenstellung(en) über Verbindungskabel 6a und 6b an
eine – hier
nicht weiter dargestellte – übergeordnete
Steuerung weiter, welche diese Information bei der Ansteuerung eines gesamten
pneumatischen Systems weiterverarbeitet.
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Gemäß 2a ist
der im Zylindergehäuse 1 angeordnete
Kolben 7 mit einem Permanentmagneten 8 versehen,
der über
die hiervon ausgehende Magnetkraft einen Positionssensor 9 betätigt.
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Gemäß 2b ist
der Positionssensor 9 innerhalb eines geschlossenen Sensorkanals 10 des Zylindergehäuses 1 untergebracht
und verläuft
entlang des gesamten Hubweges des Kolbens 7. Der Sensorkanal 10 weist
ein flache, schlitzförmige
Gestalt auf und ist im Wandungsbereich des im Querschnitt gesehenen
im Wesentlichen quadratischen Zylindergehäuses 1 zwischen der
Außenseite 4 und dem
Innenraum zur Aufnahme des Kolbens 7 angeordnet.
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Gemäß 2c ist
der innerhalb des geschlossenen Sensorkanals 10 untergebrachte
Positionssensor 9 nach Art eines Folienpotentiometers ausgebildet.
Das Folienpotentiometer ist mit einem ferrohaltigen Kunststoffband 11 versehen,
um die vom Permanentmagneten 8 ausgehende magnetische Betätigungskraft
zu verstärken,
so dass der hiervon lokal niedergedrückte Abnehmerkontakt des Folienpotentiometers
einen der Position des Kolbens 7 entsprechenden Widerstandswert
herbeiführt.
Dieser wird vom Positionssensor 9 weitergeleitet an das Flachmodul 5,
welches eine Elektronikeinheit 12 beinhaltet und über ein
großflächiges Betätigungsfeld 13 mit
Bedienmitteln zum Auswählen
und Zuweisen einer vom Positionssensor 9 zu erfassenden
Kolbenstellung sowie hierzu benachbarte Anzeigemittel zur optischen
Hilfestellung bei der Programmierung besitzt, welche an späterer Stelle
näher erläutert werden.
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Neben
der gemäß 3a und
vorstehend erläuterten
Ausführungsformen
der Programmiereinheit als Flachmodul 5, kann dieses nach
einer weiteren Ausführungsform
gemäß 3b auch
als ein in das abgehende Verbindungskabel 6 ortsnah zum
Zylindergehäuse 1 integriertes
Kabelmodul 14 ausgebildet sein. Alternativ hierzu ist es
auch im Sinne einer weiteren Ausführungsform möglich, die
Programmiereinheit als ein in einen Anschlussstecker 15 des Positionssensors 9,
also direkt am Zylindergehäuse 1 angeordnetes
Steckermodul auszubilden.
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Die 4a zeigt
eine erste Ausführungsform der
Gestaltung des Betätigungsfeldes 13 einer
als Flachmodul 5 ausgebildeten Programmiereinheit. Als Bedienmittel
ist eine SELECT-Taste 16 sowie eine SET-Taste 17 vorgesehen,
die beide als fingerdrucksensitive Folientasten ausgeführt sind.
Mit der SELECT-Taste 16 wird der zu belegende Kolbenstellungsspeicherplatz
A oder B der Programmiereinheit ausgewählt. Durch die nachfolgendes
Betätigen
der SET-Taste 17 an der Stelle der gewünschten Position de Kolbens 7 wird
der aktuelle, diese Kolbenposition darstellende Widerstandswert
des Positionssensors 9 dem Kolbenstellungsspeicherplatz
A beziehungsweise B zugewiesen. Die Kolbenstellungsspeicherplätze A und
B sind optisch durch Anzeigemittel angezeigt. Diese funktional mit
den Bedienmittel verknüpften
Anzeigemittel bestehen aus Leuchtanzeigen 18a und 18b.
Die Leuchtanzeige 18a entspricht dem Kolbenstellungsspeicherplatz
A wogegen die Leuchtanzeige 18b dem Kolbenstellungsspeicherplatz
B entspricht. Die Leuchtanzeigen 18a und 18b sind
auf einem Anzeigefeld 19 entsprechend der Reihenfolge des
Hubes des Kolbens 7 angeordnet, so dass eine intuitive
Programmierung über
die Bedienmittel möglich
ist.
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Die 4 stellt eine weitere Ausführungsform
eines Betätigungsfeldes 13' dar. Im Unterschied zu
dem vorgehend beschriebenen Betätigungsfeld 13 weist
dieses Betätigungsfeld 13' insgesamt vier Kolbenstellungsspeicherplätze A, B,
C, D auf. Das Betätigungsfeld 13' wird verwendet
im Zusammenhang mit einem Positionssensor, welcher in der Lage ist
insgesamt vier Kolbenstellungen des Pneumatikzylinders abzufragen.
Den Kolbenstellungsspeicherplätzen
A, B, C, D sind jeweils individuelle Leuchtanzeigen 18a bis 18d zugeordnet.
Ansonsten entspricht die Funktionsweise des Betätigungsfelds 13' der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform. Über Kabelanschlusspiktogramme 20a und 20b ist
die Beschaltung der beiden hier abgehenden – nicht weiter dargestellten – Verbindungskabel
ersichtlich.
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- 1
- Zylindergehäuse
- 2
- Kolbenstange
- 3
- Druckmittelanschluss
- 4
- Außenseite
- 5
- Flachmodul
- 6
- Verbindungskabel
- 7
- Kolben
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Positionssensor
- 10
- Sensorkanal
- 11
- Kunststoffband
(eisenhaltig)
- 12
- Elektronikeinheit
- 13
- Betätigungsfeld
- 14
- Kabelmodul
- 15
- Steuermodul
- 16
- SELECT-Taste
- 17
- SET-Taste
- 18
- Leuchtanzeige
- 19
- Anzeigefeld
- 20
- Anschlusspiktogramm