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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Druckmittelzylinder mit einem
innerhalb eines Zylindergehäuses angeordneten und zumindest
einseitig druckbeaufschlagbaren Kolben, dessen Stellung oder Bewegungsverlauf über
mehrere am Zylindergehäuse zumindest in Umfangsrichtung
beabstandet voneinander befestigte Sensoren ermittelbar sind, welche über
mindestens ein am Kolben angeordnetes Magnetelement betätigbar
sind.
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Das
Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Bereich
der Automatisierungstechnik. Hierbei werden Linearantriebe in Form von
Druckmittelzylindern als Antriebskomponenten genutzt. Zur steuerungstechnischen
Einbindung von Druckmittelzylindern in ein Anlagensystem ist es
erforderlich, die aktuelle Stellung des Kolbens sensortechnisch
zu detektieren und an eine übergeordnete Steuerung weiter
zu melden. So lassen sich über sogenannte Reedschalter
als Sensoren die Endlagenpositionen sowie auch beliebige Zwischenpositionen des
Kolbens entlang des Hubweges erfassen. Daneben ist es auch möglich, über
entlang des gesamten Hubwegs wirkende Sensoren, wie Hallsensoren,
den Bewegungsverlauf des Kolbens zu ermitteln, um beispielsweise
ein Geschwindigkeitsprofil zu erstellen. Mit all diesen steuerungstechnischen
Informationen lassen sich Druckmittelzylinder innerhalb eines Analagensystems
koordiniert betreiben. Die vorliegende Erfindung lässt
sich anwenden auf jede Art von Linearantrieben, vorzugsweise jedoch
Hydraulik- oder Pneumatikzylinder als Druckmittelzylinder.
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Aus
der
DE 35 46 865 A1 geht
ein gattungsgemäßer Druckmittelzylinder in Form
eines pneumatischen Kurzhubzylinders hervor. In einem extrudierten
Zylindergehäuse ist ein innenliegender Kolben axial bewegbar
geführt und unterteilt das Innere in zwei Druckkammern,
welche im Endbereich durch Zylinderdeckel verschlossen sind. Der
Kolben ist mit einer Kolbenstange verbunden, welche einen der beiden
Zylinderdeckel dynamisch abgedichtet durchdringt. Das Zylindergehäuse
weist einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf, wobei
an drei der vier Seitenfläche in Hubrichtung des Kolbens
verlaufende Befestigungsnuten zur teilweisen Unterbringung von Sensoren
vorgesehen sind. An der vierten Außenseite ist eine sich
ebenfalls in Hubrichtung erstreckende Anschlussleiste angeformt,
in welcher im Bereich der Zylinderdeckel Anschlussbohrungen zur Befestigung
von Druckmittelleitungen zwecks Zu- bzw. Abfuhr von Druckmittel
ausgebildet sind.
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Über
die drei verschiedenen Befestigungsnuten lassen sich mehrere Sensoren – wie
beispielsweise Reedschalter – am Zylindergehäuse
in Umfangsrichtung beabstandet voneinander befestigen. Somit liegen
diese mehreren Sensoren also nicht in Hubrichtung gesehen hintereinander,
sondern nebeneinander. Allerdings kann jeder Befestigungsnut auch
mehr als ein Sensor zugeordnet sein. Die Sensoren werden über
einen in den Kolben eingelassenen Ringmagnet betätigt,
der eine hohe Magnetkraft liefert.
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Nachteilhaft
bei dieser technischen Lösung wirkt sich der Bedarf an
Magnetmaterial („seltende Erden”) aus, der zur
Herstellung des Ringmagneten erforderlich ist. Weiterhin entwickelt
ein solcher Ringmagnet ein recht starkes Magnetfeld, dass benachbarte
störempfindliche elektrische oder eisenmetallische Bauteile
beeinflussen könnte.
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Aus
der
EP 1 491 771 A1 geht
im Gegensatz hierzu eine technische Lösung hervor, bei
welcher ein entlang der Hubrichtung eines Druckmittelzylinders angebrachter
Sensor über ein Magnetelement betätigt wird, das
außenradial am Kolben befestigt ist. Mit diesem Sensor
ist jede aktuelle Stellung des Kolbens entlang des Hubwegs ermittelbar
und das quaderförmige Magnetelement liefert im Gegensatz zu
einem Ringmagneten eine örtlich konzentrierte magnetische
Betätigungskraft für den Sensor. Allerdings wird
diese örtliche Betätigungskraft gefährdet, falls
sich der kreisrunde Kolben gegenüber dem Zylindergehäuse
und damit dem Sensor verdreht. Außerdem stellt diese technische
Lösung im Gegensatz zu dem vorstehend diskutierten Stand
der Technik auf die Betätigung eines einzigen Sensors am
Druckmittelzylinder ab.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Druckmittelzylinder
mit mehreren in Umfangsrichtung beabstandet am Zylindergehäuse
befestigten Sensoren zu schaffen, welche unter minimalem Einsatz
von Magnetmaterial eine zuverlässige Betätigung
der mehreren Sensoren sicherstellen.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem Druckmittelzylinder 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 zur Betätigung
jedes Sensors ein eigenes auf die Betätigungsparameter
des Sensors abgestimmtes Magnetfeld vorgesehen ist, das jeweils
nur einen Teilbereich des Kolbenumfangs einnimmt und dessen örtliche
Zuordnung zum Sensor durch Verdrehsicherungsmittel des Kolbens gegenüber
dem Zylindergehäuse sichergestellt ist.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass mehrere derartig am Zylindergehäuse
befestigte Sensoren durch minimalen Einsatz von Magnetmaterial betreibbar
sind. Durch die individuelle Zuordnung von Magnetelement zu Sensor
kann ein hoher Grad an Schaltgenauigkeit erreicht werden, da sich
die magnetische Betätigungskraft auf den Bedarf des einzelnen
Sensors abstimmen lässt. Außerdem werden magnetische
Streufelder minimiert.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
dass der Kolben zur Bestimmung verschiedener auf die jeweiligen
Sensoren abgestimmter Teilbereich des Kolbenumfangs außenradiale
Ausnehmungen zur Aufnahme von je zugeordneten Magnetelementen aufweist.
Auf Basis dieser Maßnahme lässt sich beispielsweise
eine Art Universalkolben schaffen, der für alle Sensorkonfigurationen
geeignet ist und sich nur durch Anzahl und Ort der eingesetzten
Magnetelemente unterscheidet. Ferner wird vorgeschlagen, die so
in die Ausnehmungen des Kolbens eingesetzten Magnetelemente zusätzlich
durch Kleben zu fixieren. Daneben ist es auch denkbar, die Magnetelemente über
eine Clip-Verbindung kombiniert kraft-/formschlüssig oder dergleichen
am Kolben zu befestigen.
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Zur
Abstimmung der Betätigungsparameter unterschiedlich gearteter
Sensoren wird gemäß einer weiteren die Erfindung
verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass für
einen Reedschalter als Sensor ein passend zugeordnetes Magnetelement
mit einem relativ starken Magnetfeld verwendet wird, das sich unterscheidet
von einem Magnetelement mit relativ schwacherem Magnetfeld, das
zur Betätigung eines Hallsensors geeigneter ist. Somit
lassen sich in vorteilhafter Weise je nach Sensor geeignete Magnetelemente
auswählen.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Verdrehsicherungsmittel
des Kolbens einen nicht kreisförmigen Außenquerschnitt
des Kolbens oder einer hieran angebrachten Kolbenstange umfassen,
welcher mit einem formschlüssig hierzu korrespondierenden
Innenquerschnitt am Zylindergehäuse zusammenwirkt. Da durch
diese einfache Maßnahme sich der Kolben nicht gegenüber
dem Zylindergehäuse verdrehen lässt, ist die Zuordnung
von Magnetelement zu Sensor sichergestellt. Als nicht kreisförmige
Außenquerschnitte kommen vorzugsweise polygonale Querschnitte,
ganz vorzugsweise ein oktagonaler Querschnitt in Frage.
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Die
Anbringung des Sensors am Zylindergehäuse kann nach verschiedenen
Alternativen erfolgen. Nach einer ersten Alternative wird eine offene Befestigungsnut
vorgeschlagen, die entlang des Kolbenhubs am Zylindergehäuse
verläuft und einen Sensor zumindest teilweise aufnimmt.
Die Befestigungsnut kann zum Verspannen des Sensors hierin mit einem
Schwalbenschwanzprofil oder dergleichen ausgeführt sein.
Nach einer zweiten Alternativen lässt sich der Sensor über
eine Befestigungsschiene außen am Zylindergehäuse
und hiervon abstehend befestigen. Auch hier eignet sich ein Schwalbenschwanzprofil
als Querschnitt. Die Lösungen nach der ersten und zweiten
Alternative sind insbesondere zur Anbringung von als Reedschaltern
ausgebildeten Sensoren am Zylindergehäuse zu bevorzugen.
Dagegen eignet sich die dritte Alternative eines geschlossenen Kanals
innerhalb der Wandung des Zylindergehäuses insbesondere
zur Unterbringung von Wegmesssensoren, die entlang der gesamten
Hublänge des Druckmittelzylinders verlaufen. Ein derartiger
Sensor ist im geschlossenen Kanal vollständig geschützt
vor störenden äußeren Umwelteinflüssen untergebracht.
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Zur
Ausbildung eines solchen geschlossenen Kanals sowie auch zur Formgebung
der anderen Befestigungsalternativen wird vorgeschlagen, das Zylindergehäuse
aus einem extrudierten Leichtmetall herzustellen, wie beispielsweise
Aluminium. Ein weiterer Vorteil dieses Materials ist, dass es magnetisch durchlässig
ist. Alternativ hierzu könnte das Zylindergehäuse
auch aus einem geeignetem formstabilen Kunststoff bestehen.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Pneumatikzylinders als Druckmittelzylinder,
teilweise geschnitten,
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2 einen
Querschnitt durch das Zylindergehäuse eines Druckmittelzylinders.
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Gemäß 1 besitzt
der als Pneumatikzylinder ausgebildete Druckmittelzylinder ein Zylindergehäuse 1,
in welchem axial verschiebbar ein Kolben 2 mit hieran angebrachter
Kolbenstange 3 untergebracht ist, welche die durch Druckluft
erzeugte Bewegung des Kolbens 2 nach außen zur
Bereitstellung einer linearen Antriebskraft leitet. Das Zylindergehäuse 1 ist
aus einem extrudierten Leichtmetall hergestellt. Zur Verdrehsicherung
weist der Kolben 2 einen achteckigen Querschnitt auf, der
formschlüssig mit einem ebenso achteckigen Innenquerschnitt
des Zylindergehäuses 1 korrespondiert. Außen
am Zylindergehäuse 1 ist entlang der Hubrichtung
des Kolbens 2 eine Befestigungsschiene 6 angeformt,
an welcher ein Stecker 7 lösbar angebracht ist.
Der – hier exemplarische – Sensor 4 ist
ein Folienpotentiometer, das über ein am Kolben 2 befestigtes – hier
nicht erkennbares – Magnetelement betätigbar ist.
Das Magnetelement nimmt nur einen Teilbereich des Kolbenumfangs
ein, hier weniger als 10%, um eine örtliche Zuordnung zu
dem Sensor 4 zu schaffen, welcher über die vorstehend
erläuterten Verdrehsicherungsmittel gewährleistet
bleibt.
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Gemäß 2 sind
am Zylindergehäuse 1 zusätzlich mehrere
in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete – hier
nur schematisch dargestellte – Sensoren 5a und 5b vorgesehen.
Dabei ist der Sensor 5a teilweise innerhalb einer zugeordneten
offenen Befestigungsnut 9a untergebracht, wogegen der andere
Sensor 5b in einer anders profilierten Befestigungsnut 9b untergebracht
ist. Zur Bestimmung verschiedener auf die jeweiligen Sensoren 4, 5a und 5b abgestimmter
Teilbereiche des Kolbenumfangs weist der Kolben 2 außenradial
Ausnehmungen 10 zur Unterbringung verschiedener Magnetelemente
auf.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist das Magnetelement 8a dem
Sensorelement 5a zugeordnet und weist einen in etwa runden
Querschnitt auf, welcher eine zur Betätigung des Sensors 5a passende Magnetkraft
liefert. Der Sensor 5a ist als Reedschalter ausgebildet,
so dass die Magnetkraft des Magnetelements 8a recht hoch
ist. Dem gegenüber ist das andere Magnetelement 8b einem
Hallsensor als Sensor 5b zugeordnet und besitzt durch seinen rechteckigen
Querschnitt eine relativ geringere, jedoch zum Hallsensor passende
Magnetkraft.
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Ferner
ist in der Wandung des Zylindergehäuses 1 ein
geschlossener Kanal 11 in Hubrichtung des Kolbens ausgebildet,
um den als Folienpotentiometer ausgebildeten Sensor 4 hierin
vollständig aufzunehmen. Hiermit korrespondiert ein kolbenseitiges Magnetelement 8c.
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- 1
- Zylindergehäuse
- 2
- Kolben
- 3
- Kolbenstange
- 4
- Sensor
(Foliepotentiometer)
- 5
- Sensor
- 6
- Befestigungsschiene
- 7
- Stecker
- 8
- Magnetelement
- 9
- Befestigungsnut
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3546865
A1 [0003]
- - EP 1491771 A1 [0006]