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Die Erfindung betrifft einen Druckmittelzylinder, insbesondere einen Hydraulikzylinder, der die Merkmale aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufweist.
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Im Rahmen des Einsatzes von Hydraulikzylindern zum Beispiel in industrietechnischen oder mobilen Anlagen, Maschinen, oder ähnlichem ist es sehr häufig erforderlich, die Position der Kolbenstange des Hydraulikzylinders relativ zum Zylindergehäuse zu messen, um damit zum Beispiel einen geschlossenen Regelkreis mit Messdaten zu versorgen.
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Für die Bewältigung dieser Messaufgabe können Positionssensoren, die beispielsweise auf einem magnetostriktiven Messprinzip beruhen, eingesetzt werden, die in die Hydraulikzylinder integriert werden. Ein Hydraulikzylinder dieser Art ist aus der
DE 10 2004 044 950 A1 bekannt. Nachteile sind die verhältnismäßig hohen Kosten des Sensorsystems und die Notwendigkeit der Integration in den Zylinder. Besser wäre ein kostengünstigeres Sensorsystem, für das keine oder nur sehr geringe konstruktive Änderungen des Hydraulikzylinders und/oder der Kolbenstange vorgenommen werden müssten. Im besten Fall wäre das Sensorsystem nachrüstbar ausgeführt.
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Andere bekannte Prinzipien basieren auf Seilzugsensoren, potentiometrischen Sensoren oder auch auf magnetischen und optischen Sensoren, die in der Regel einen magnetischen oder optischen Code abtasten, der fest mit der Kolbenstange verbunden oder auf dieser aufgebracht ist. Ein Druckmittelzylinder dieser Art ist zum Beispiel aus der
DE 101 19 941 A1 bekannt. Letztgenannte Prinzipien haben den Nachteil, dass die Kolbenstange zur Aufbringung des Codes vor der Montage des Zylinders bearbeitet werden muss, was insbesondere bei langen Kolbenstangen sehr kostenträchtig ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass der Code zum Beispiel aufgrund von Verschmutzung vorübergehend oder dauerhaft nicht lesbar ist.
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Zum Einsatz des Prinzips einer optischen Computermaus siehe auch die
DE 102 03 794 A1 . Dort wird vorgeschlagen, für die Wegerfassung an Kolbenstangen von Druckmittelzylindern eine optische Messeinrichtung einzusetzen, die sich dadurch auszeichnet, dass sie die unmarkierte Kolbenstange mit Hilfe einer lichtempfindlichen Matrix- oder Zeilensensorik permanent optisch abtastet und über die bei einer axialen Bewegung der Kolbenstange hervorgerufene Pixelverschiebung des erfassten Bildes den zurückgelegten Weg der Kolbenstange berechnet.
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In
US 2006/0171568 A1 (Hybrid Optical Cylinder Position Sensor) beziehungsweise der
DE 10 2005 059 251 A1 ist ein optischer Hybrid-Zylinderpositionssensor beschrieben, basierend auf der Detektion eines Bildes eines Teils der Oberfläche eines bewegbaren Gliedes und einer Berechnung der Position des Gliedes anhand des aufgenommenen Bildes. Zusätzlich sind Verfahren zur Korrektur des bei Anwendung dieses Verfahrens auftretenden Fehlers sowie Verfahren zur Absolutpositionsmessung angegeben.
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Es existieren Laser-Entfernungsmesser (zum Beispiel Typ DLE 50 von der Robert Bosch GmbH), die in der Lage sind, die Entfernung zwischen einem Gerät und einem Reflektor, welcher hinreichend gute optische Eigenschaften aufweist, berührungslos und mit einer Genauigkeit von ca. 1,5 mm zu messen. Diese Geräte haben den Nachteil einer verhältnismäßig langen Messdauer (ca. 1 Sekunde), die für den Einsatz an einem Hydraulikzylinder unakzeptabel ist. Unter Inkaufnahme geringerer Messgenauigkeiten sind auch wesentlich kürzere Messzeiten denkbar, zum Beispiel 10 ms. Dann ist jedoch die Information so ungenau, dass sie in oben angegebenen Applikation nicht mehr sinnvoll eingesetzt werden kann. Laser-Entfernungsmesser haben den Vorteil, die Absolutposition zu messen. Außerdem sind sie kostengünstig.
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Weiterhin gibt es verschiedene Verfahren, mit denen zwar keine Absolutposition, jedoch – die Kolbenstange abtastend – eine zurückgelegte Wegstrecke gemessen werden kann, z. B. inkrementelle Drehzahlsensoren an Lauf- bzw. Reibrädern, Maussensoren auf mechanischer Basis einer rollenden Kugel oder insbesondere auch auf optischer Basis. Außerdem gibt es die Möglichkeit die Geschwindigkeitssignale von zum Beispiel optischen Geschwindigkeitssensoren oder die Beschleunigungssignale von zum Beispiel mikromechanischen Beschleunigungssensoren zeitlich zu integrieren, um so auf die Absolutposition schließen zu können. Diese Art von Sensoren hat aber den Nachteil, dass Fehler (Offset sowie Rauschen) kontinuierlich aufsummiert werden und auf diese Weise die Wegmessung nach einiger Zeit unbrauchbar wird. Insbesondere stark würde sich dieser Nachteil auswirken, wenn man diese Sensoren an Druckmittelzylindern verwenden würde, da hier nicht der gesamte zurückgelegte Weg von Interesse ist, sondern die Position innerhalb des Hubbereichs der hin- und herbewegten Kolbenstange. Die genannten Sensoren weisen den Vorteil auf, hinreichend schnell zu messen, um die Daten zum Beispiel einem Echtzeit-Positionsregelsystem zur Verfügung stellen zu können. Außerdem sind sie in der Regel äußerst kostengünstig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckmittelzylinder mit einem Wegmesssystem auszustatten, das in der Lage ist, die absolute Position der Kolbenstange hinreichend genau und schnell messen zu können und dabei kostengünstig und nachrüstbar oder mit sehr geringen konstruktiven Maßnahmen montierbar zu sein.
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Diese Aufgabe wird durch einen Druckmittelzylinder gelöst, der gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 einen eine Kolbenstange aufweisenden Kolben und ein Wegmesssystem besitzt, das ein erstes Sensorsystem zur Bestimmung der absoluten Position der Kolbenstange bezüglich eines Bezugspunkts umfasst, und bei dem zusätzlich das erste Sensorsystem ein Laserentfernungsmesser ist, das Wegmesssystem als zweites Sensorsystem einen inkrementellen oder Weg-Sensor aufweist und die Ausgangssignale der beiden Sensorsysteme in einer elektronischen Auswerteeinheit miteinander fusioniert werden.
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An einem Druckmittelzylinder dieser Art sind die Vorteile eines Laserentfernungsmessers, nämlich Messung der Absolutposition, Nachrüstbarkeit, geringe Kosten mit den Vorteilen der oben genannten inkrementellen Sensoren beziehungsweise Weg-Sensoren, nämlich Geschwindigkeit, Nachrüstbarkeit, geringe Kosten miteinander verbunden.
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Die Nachteile des Laser-Entfernungsmessers wie geringe Messgeschwindigkeit bei geringem Fehler beziehungsweise korrespondierend höhere Messgeschwindigkeit unter Inkaufnahme eines höheren Fehlers und andere einerseits und die Nachteile der inkrementellen Sensoren beziehungsweise der Weg-Sensoren sich aufsummierender Positionsfehler bei zeitlicher Integration des Messsignals, Schlupf bei Reibrädern, Nichterkennung einer Verschiebung bei optischen Mäusen aufgrund fehlender Rauhigkeit der Oberfläche und andere werden unterdrückt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Druckmittelzylinders kann man den Unteransprüchen entnehmen.
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So ist es vorteilhaft, die Ausgangssignale der beiden Sensorsysteme mithilfe eines aus der statistischen Signalverarbeitung bekannten Kalmanfilters oder einer aus der Regelungstechnik bekannten Beobachterstruktur zu verknüpfen.
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Insbesondere die Fusion eines Laser-Entfernungsmessers und einer optischen Maus, wie in Patentanspruch 3 angegeben, sowie die Fusion eines Laser-Entfernungsmessers und eines mikromechanischen Beschleunigungssensors, wie in Patentanspruch 4 angegeben, sind vorteilhaft, da diese beiden Kombinationen berührungslose Positionsmesssysteme ermöglichen sowie konstruktiv in leichter Weise an einen Hydraulikzylinder montierbar sind.
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Wenn ein Beschleunigungssensor eingesetzt wird, ist prinzipiell die Möglichkeit gegeben, dass dieser nicht nur die Beschleunigung der Kolbenstange misst, sondern zusätzlich auch Komponenten des Schwerefelds der Erde, die sich selbst insbesondere bei Lageänderungen des Zylinders, wie sie bei mobilen Arbeitsmaschinen häufig vorkommen, zeitlich ändern können, und von außen auf den gesamten Zylinder aufgebrachte Beschleunigungen, z. B. Vibrationen von anderen Maschinen- oder Anlageteilen. Diese wirken als Störgrößen und überlagern das gesuchte Messsignal, nämlich die Beschleunigung der Kolbenstange gegenüber dem Zylindergehäuse in ihrer Längsrichtung. Zur Kompensation dieser Störungen wird vorteilhafterweise ein zweiter Beschleunigungssensor auf dem feststehenden Hydraulikzylinder angebracht, der prinzipiell die gleichen oder sehr ähnliche Störbeschleunigungen misst wie der Beschleunigungssensor, der mit der Kolbenstange mitbewegt wird. Durch Subtraktion der Signale beider Beschleunigungssensoren werden die Störbeschleunigungen eliminiert und es verbleibt nur noch dasjenige Beschleunigungssignal, welches die Beschleunigung der Kolbenstange gegenüber dem Zylindergehäuse angibt.
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Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Druckmittelzylinders sind in der Zeichnung dargestellt. Anhand der Figuren der Zeichnung wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Aus den Figuren ist jeweils ein Druckmittelzylinder mit einem Zylindergehäuse und mit einer Kolbenstange ersichtlich, die aus dem Zylindergehäuse herausragt und an einem sich im Innern des Zylindergehäuses befindlichen Kolben befestigt ist. Falls es sich nicht um einen Plungerzylinder handelt, teilt der Kolben des Innere des Zylindergehäuses in zwei voneinander getrennte Zylinderkammern auf, von denen zur Bewegung von Kolben und Kolbenstange relativ zum Zylindergehäuse einer Druckmittel zugeführt wird, während aus der anderen Druckmittel verdrängt wird.
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Bei beiden Ausführungsbeispielen ist auf dem Zylindergehäuse ein Laser-Entfernungsmesser befestigt, der längs der Kolbenstange einen Laserstrahl aussendet, der an einem Spiegle in der Nähe des freien Endes der Kolbenstange reflektiert und vom Entfernungsmesser empfangen wird. Der Laser-Entfernungsmesser ermöglicht eine Bestimmung der absoluten Position der Kolbenstange relativ zum Zylindegehäuse.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist zusätzlich zum Laser-Entfernungsmesser ein Wegsensor, vorhanden, der je nach Typ relativ zum Zylindergehäuse feststehend ist oder mit der Kolbenstange bewegt wird. Der Wegsensor kann zum Beispiel ein inkrementeller Sensor sein. Vorzugsweise ist er eine optische Maus.
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Das Ausgangssignal des Wegsensors und das Ausgangssignal des Laser-Entfernungssensors werden an eine elektronische Einheit gegeben, in der auf die beiden Ausgangssignale ein Fusionsalgorithmus angewandt wird. Das Ausgangssignal der elektronischen Einheit stellt die absolute Position der Kolbenstange relativ zu einem festen Bezugspunkt dar. Aufgrund der Kombination der beiden Sensorsysteme wird die Absolutposition schnell und genau gemessen, so dass die Daten zum Beispiel einem Echtzeit-Positionsregelsystem zur Verfügung gestellt werden können.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 ist auf der Kolbenstange ein mit dieser mitbewegter Beschleunigungssensor angebracht. Von diesem wird ein Ausgangssignal an eine elektronische Einheit gegeben, der außerdem wie bei Ausführungsbeispiel nach 1 das Ausgangssignal des Laser-Entfernungsmessers zugeführt wird. Ein zweiter Beschleunigungssensor ist auf dem Zylindergehäuse befestigt. Dieser misst prinzipiell die gleichen oder sehr ähnliche Störbeschleunigungen wie der erste Beschleunigungssensor. Auch das das Ausgangssignal dieses zweiten Beschleunigungssensors wird an die elektronische Einheit gegeben. Durch Subtraktion der Signale der beiden Beschleunigungssensoren werden die Störbeschleunigungen eliminiert und es verbleibt nur noch das Beschleunigungssignal, das die Beschleunigung der Kolbenstange gegenüber dem Zylindergehäuse angibt.
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Durch Integration wird aus dem Beschleunigungssignal ein Wegsignal für die Kolbenstange errechnet. Auf dieses und auf das Ausgangssignal des Laser-Entfernungsmessers wird in der elektronischen Einheit ein Fusionsalgorithmus angewandt. Das Ausgangssignal der elektronischen Einheit stellt die absolute Position der Kolbenstange relativ zu einem festen Bezugspunkt dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004044950 A1 [0003]
- DE 10119941 A1 [0004]
- DE 10203794 A1 [0005]
- US 2006/0171568 A1 [0006]
- DE 102005059251 A1 [0006]
