DE102015211603A1

DE102015211603A1 - Linearantrieb mit Positionserfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE102015211603A1
Application number: DE102015211603.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Saller
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-29
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: DE102015211603B4

Abstract

Es wird ein Linearantrieb (1) vorgeschlagen, der über ein Antriebsgehäuse (3) und eine diesbezüglich linear bewegbare Abtriebseinheit (8) verfügt. Ferner enthält der Linearantrieb (1) eine Positionserfassungseinrichtung (27) zur Positionserfassung der Abtriebseinheit (8), die drei gleichmäßig um eine Hauptachse (2) des Linearantriebes herum punktuell verteilte Krafteinleitungsabschnitte (48) aufweist, denen jeweils ein kraftsensitives Sensormittel (53) zugeordnet ist. An den Sensormitteln (53) stützt sich eine andererseits an der Abtriebseinheit (8) abgestützte Druckfeder (32) ab und ruft abhängig von der Position der Abtriebseinheit (8) und folglich abhängig vom Komprimierungsgrad der Druckfeder (32) ein Messsignal der Sensormittel (53) hervor, wobei aus den Messsignalen sämtlicher Sensormittel (53) ein der aktuellen Position der Abtriebseinheit (8) entsprechendes einheitliches Positionssignal generiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, mit einem Antriebsgehäuse und einer diesbezüglich zu einer linearen Abtriebsbewegung in Achsrichtung einer Hauptachse antreibbaren Abtriebseinheit, ferner mit einer Positionserfassungseinrichtung zur Positionserfassung der Abtriebseinheit, zu der eine einen ringförmigen Querschnitt aufweisende und mit zu der Hauptachse paralleler Wirkrichtung in einer Gehäusekammer des Antriebsgehäuses angeordnete Druckfeder gehört, die axial zwischen die Abtriebseinheit und eine bezüglich des Antriebsgehäuses abgestützte kraftsensitive Sensoreinheit der Positionserfassungseinrichtung eingegliedert ist.
Ein aus der DE 30 36 485 A1 bekannter Linearantrieb dieser Art ist als ein hydraulischer Arbeitszylinder ausgebildet und verfügt über ein Zylindergehäuse, das mit einem Innendruck beaufschlagbar ist, um eine eine Kolbenstange aufweisende Abtriebseinheit linear zu bewegen. Zur Positionserfassung der Abtriebseinheit ist eine Positionserfassungseinrichtung vorhanden, die eine Kraftmesseinrichtung und eine mit der Kraftmesseinrichtung in Reihe geschaltete Feder beinhaltet, wobei diese Komponenten in einer Gehäusekammer des Antriebsgehäuses untergebracht sind. Ändert sich die Relativposition zwischen der Abtriebseinheit und dem Antriebsgehäuse, führt dies zu einer Längenänderung der Feder, woraus eine von der Kraftmesseinrichtung detektierbare Kraftänderung resultiert. Auf diese Weise ist eine Positionserfassung der Abtriebseinheit möglich.
Bei dem bekannten Linearantrieb hat die Feder der Positionserfassungseinrichtung einen relativ kleinen Durchmesser und neigt daher zum Ausknicken, wenn sie nicht koaxial auf der Kolbenstange angeordnet ist. Die Ausknickgefahr ist besonders groß, weil die Feder möglichst weich ausgelegt sein sollte, um die Abtriebsbewegung der Abtriebseinheit so wenig wie möglichst zu beeinträchtigen. Vor allem bei Abtriebsbewegungen mit hoher Beschleunigung können daher Ungenauigkeiten bei der Positionserfassung auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb zu schaffen, der ohne eine relevante Beeinträchtigung des Bewegungsverhaltens der Abtriebseinheit eine präzise Positionserfassung ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Verbindung mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen, dass die Sensoreinheit wenigstens drei gleichmäßig um die Hauptachse herum punktuell verteilte Krafteinleitungsabschnitte aufweist, an denen sich die Druckfeder stirnseitig abstützt und denen jeweils ein eigenes, auf die Federkraft der Druckfeder ansprechendes kraftsensitives Sensormittel zugeordnet ist, wobei die durch diese mehreren Sensormittel gleichzeitig generierbaren Messsignale die Grundlage für ein der aktuellen Position der Abtriebseinheit entsprechendes einheitliches Positionssignal bilden.
Auf diese Weise erfolgt die Krafteinleitung der zur Positionserfassungseinrichtung gehörenden Druckfeder in die Sensoreinheit nicht zentral auf der Hauptachse, sondern radial beabstandet dazu an mehreren gleichmäßig punktuell um die Hauptachse herum verteilten Krafteinleitungsabschnitten. Mit dieser Verteilung der Krafteinleitungsabschnitte ist die Möglichkeit verbunden, eine Druckfeder mit relativ großem Durchmesser zu wählen, was die Ausknickneigung erheblich reduziert, selbst wenn eine relativ weiche Federrate gewählt wird. Um trotz der Mehrpunktauflage zwischen der Druckfeder und der Sensoreinheit ein präzises Positionssignal zu erhalten, bieten die den Krafteinleitungsabschnitten zugeordneten individuellen Sensormittel die Möglichkeit, die durch sie generierbaren Messsignale zur Bildung eines einheitlichen Positionssignals heranzuziehen. Vorzugsweise ist die Positionserfassungseinrichtung so ausgelegt, dass eine Mittelwertbildung der Messsignale der einzelnen Sensormittel erfolgen kann oder erfolgt, die die Grundlage für das der aktuellen Position der Abtriebseinheit entsprechende einheitliche Positionssignal bildet. Die erfindungsgemäßen Positionserfassungsmaßnahmen lassen sich in jedweder Art von Linearantrieb realisieren, wobei besondere Vorteile allerdings in Verbindung mit einem fluidbetätigten und dabei insbesondere in Verbindung mit einem pneumatisch betätigten Linearantrieb gesehen werden. Die Positionserfassungseinrichtung eignet sich aber ohne weiteres auch für die Verwendung in elektrischen Linearantrieben oder in Hybrid-Linearantrieben mit mehreren kombinierten Antriebstechnologien.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Damit sich die Druckfeder auf die zum Antreiben der Abtriebseinheit erforderliche Betätigungskraft nicht nachteilig auswirkt, wird eine relativ weiche Feder als Druckfeder gewählt, also eine Feder mit einer relativ flachen Federkennlinie. Insbesondere in Fällen, in denen die Abtriebseinheit bezüglich des Antriebsgehäuses sehr leichtgängig ist, empfiehlt es sich allerdings, in dem Antriebsgehäuse zusätzlich zu der Druckfeder eine in der Gegenrichtung wirkende Kompensationsfeder anzuordnen, die die von der Druckfeder auf die Abtriebseinheit ausgeübte Federkraft kompensiert. Auf diese Weise lässt sich gewährleisten, dass sich die an der Abtriebseinheit angreifenden Federkräfte zumindest im Wesentlichen ausgleichen und selbst bei geringen Reibwerten keine Relativbewegung zwischen der Abtriebseinheit und dem Antriebsgehäuse hervorgerufen wird, wenn die Abtriebseinheit keinen Antriebskräften ausgesetzt ist.
Bei dem Linearantrieb handelt es sich vorzugsweise um einen fluidbetätigten Linearantrieb, insbesondere einen Linearantrieb, dessen Abtriebseinheit mit Druckluft zu der Abtriebsbewegung antreibbar ist. Die die Druckfeder aufnehmende Gehäusekammer ist in diesem Fall insbesondere eine durch das zum Antreiben der Abtriebseinheit zuzuführende Betätigungsfluid beaufschlagbare Antriebskammer, die innerhalb des Antriebsgehäuses von einem zu der Abtriebseinheit gehörenden Abtriebskolben begrenzt ist. Bevorzugt handelt es sich um einen sogenannten doppeltwirkenden Linearantrieb, dessen Abtriebskolben zwei in aufeinander abgestimmter Weise mit einem Betätigungsfluid beaufschlagbare Antriebskammern voneinander abtrennt. Ist der Linearantrieb in der vorstehend geschilderten Weise mit einer zusätzlichen Kompensationsfeder ausgestattet, befindet sich die Druckfeder in der einen und die Kompensationsfeder in der anderen Antriebskammer.
Die zur Generierung der Messsignale verwendeten Sensormittel sind vorzugsweise von einer Bauart, die kraftabhängig verformbar ist und durch die ein Messsignal generierbar ist, das von Verformungsgrad der Sensormittel und folglich von der die Sensormittel beaufschlagenden Kraft abhängig ist. Positionsänderungen der Abtriebseinheit spannen oder entlasten die Druckfeder und erzeugen durch die sich dadurch variierende Federkraft ein sich veränderndes Messsignal, das zu der bezüglich des Antriebsgehäuses eingenommenen Relativposition der Abtriebseinheit proportional ist. Das Messsignal ist insbesondere ein elektrisches Signal.
Bevorzugt werden als Sensormittel oder zum Aufbau der Sensormittel Dehnungssensoren und dabei insbesondere sogenannte Dehnungsmessstreifen eingesetzt, bei denen eine kraftabhängige Verformung eine elektrische Widerstandsänderung hervorruft. Bevorzugt sind die Dehnungssensoren zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet, was sich sehr kostengünstig auf der Basis organischer Elektronik realisieren lässt.
Als Druckfeder für die Positionserfassungseinrichtung wird vorzugsweise eine Schraubendruckfeder verwendet, d.h. eine Druckfeder mit schraubenwendelförmiger Struktur. Vorzugsweise ist die Druckfeder hinsichtlich ihres Durchmessers so definiert, dass ihr Außendurchmesser nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der sie aufnehmenden Gehäusekammer.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Sensoreinheit über genau drei gleichmäßig um die Hauptachse herum verteilte Krafteinleitungsabschnitte verfügt. Auf diese Weise wird die Feder in ihrer Umfangsrichtung gleichmäßig abgestützt und es können Kippmomente an der Sensoreinheit vermieden werden. Es ist mithin eine symmetrische und momentenfreie Krafteinleitung der Federkraft in die Sensoreinheit gewährleistet. Abweichend von dieser als besonders vorteilhaft angesehenen Ausgestaltung kann die Sensoreinheit aber auch über mehr als drei Krafteinleitungsabschnitte zum Zusammenwirken mit der Druckfeder verfügen, die aber auch wiederum in der Umfangsrichtung der Hauptachse bevorzugt gleichmäßig verteilt platziert sind.
Die Sensoreinheit ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und koaxial zu der Hauptachse im Antriebsgehäuse angeordnet. Die ringförmige Ausgestaltung erlaubt eine einfache und platzsparende Montage im Antriebsgehäuse. Außerdem besteht dadurch die Möglichkeit, andere Komponenten des Linearantriebes so zu gestalten, dass sie durch den von der ringförmigen Sensoreinheit umschlossenen Bereich hindurchgreifen können. Dies gilt beispielsweise für eine zu der Abtriebseinheit gehörende Kolbenstange, die koaxial aus dem Antriebsgehäuse herauszuführen ist. Ebenso gilt dies für im Zusammenhang mit fluidbetätigten Linearantrieben eingesetzte Endlagen-Dämpfungsmittel, die in der Regel einen an der Abtriebseinheit angeordneten axialen Vorsprung aufweisen, der bei Erreichen einer Endlage der Abtriebseinheit in einen Abschlussdeckel des Antriebsgehäuses eintaucht.
Sämtliche Krafteinleitungsabschnitte der Sensoreinheit liegen zweckmäßigerweise auf einer zu der Hauptachse konzentrischen Kreislinie. Der Durchmesser dieser Kreislinie entspricht vorzugsweise dem Durchmesser der im Querschnitt ringförmigen Druckfeder.
Es ist eine Ausgestaltung möglich, bei der die Druckfeder direkt auf die Krafteinleitungsabschnitte einwirkt. Zu Gunsten einer gleichmäßigen Kräfteverteilung bei der Krafteinleitung ist es allerdings vorteilhaft, wenn zwischen die Krafteinleitungsabschnitte und die Druckfeder koaxial ein gesonderter Adapterring eingegliedert ist, der die von der Druckfeder erzeugte Druckkraft auf alle vorhandenen Krafteinleitungsabschnitte verteilt. Dieser Adapterring ist im einfachsten Fall eine einfache Ringscheibe mit einem Außen- und Innendurchmesser, der zumindest im Wesentlichen dem Außen- und Innendurchmesser der Druckfeder entspricht.
Die Sensoreinheit verfügt zweckmäßigerweise über einen bezüglich des Antriebsgehäuses axial ortsfest fixierten Grundkörper, an dem eine Mehrzahl von Zungenabschnitten einstückig angeordnet ist, die die Krafteinleitungsabschnitte bilden und die in der Achsrichtung der Hauptachse, also in Richtung zur Druckfeder und in der Gegenrichtung, relativ zu dem Grundkörper elastisch biegbar sind. Jedem dieser Zungenabschnitte ist zur Generierung eines vom Biegezustand abhängigen Messsignals eines der kraftsensitiven Sensormittel zugeordnet. Der Grundkörper ist bevorzugt ringförmig und insbesondere in der Form einer Ringscheibe ausgebildet
Die bevorzugt laschenförmig ausgebildeten Zungenabschnitte sind zweckmäßigerweise jeweils durch eine von der Druckfeder unabhängige Vorspannfeder relativ zum Grundkörper der Sensoreinheit in eine in Richtung zu der Druckfeder ausgelenkte Grundstellung vorgespannt. Dabei ist zweckmäßigerweise jedem Zungenabschnitt eine eigene Vorspannfeder zugeordnet, bei der es sich insbesondere um eine drückend wirkende Vorspannfeder handelt, die insbesondere als eine Schraubendruckfeder realisiert ist. Die Zungenabschnitte nehmen ihre Grundstellung ein, wenn die Druckfeder der Positionserfassungseinrichtung ihre geringste Vorspannung aufweist. Wenn sich die Abtriebseinheit ausgehend von dieser Position im Sinne einer Komprimierung der Druckfeder verlagert, werden die von der Druckfeder beaufschlagten Zungenabschnitte durch die ansteigende Federkraft der Druckfeder unter Überwindung der Vorspannkraft der Vorspannfedern relativ zum Grundkörper der Sensoreinheit verbogen, woraus eine Änderung des Messsignals der Sensormittel resultiert, auf deren Grundlage das einheitliche Positionssignal für die Abtriebseinheit bestimmbar ist beziehungsweise bestimmt wird.
Prinzipiell lässt sich die Positionserfassungseinrichtung auch ohne eine Vorspannung der Zungenabschnitte realisieren. In diesem Fall ist es zur Gewährleistung einer sicheren Betätigung der Zungenabschnitte vorteilhaft, wenn ein zwischen der Sensoreinheit und der Druckfeder eingegliederter Adapterring über eine der Anzahl der Zungenabschnitte entsprechende Anzahl axialer Betätigungsvorsprünge verfügt, mit denen er auf die Zungenabschnitte einwirken kann, ohne mit dem unbeweglichen Grundkörper der Sensoreinheit zu kollidieren.
Die Positionserfassungseinrichtung ist vorzugsweise mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung ausgestattet, die in der Lage ist und ausgebildet ist, um aus den Messsignalen der einzelnen Sensormittel das einheitliche Positionssignal betreffend die momentane Position der Abtriebseinheit zu generieren. Beispielsweise kann die elektronische Auswerteeinheit über elektronische Auswertemittel verfügen, die das einheitliche Positionssignal auf der Basis einer Mittelwertbildung aus den Messsignalen berechnen. Zur Bestimmung des einheitlichen Positionssignals geeignete Algorithmen sind zweckmäßigerweise in einem internen Speicher der elektronischen Auswerteeinheit ablegbar oder abgelegt.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die elektronische Auswerteeinheit als ein unmittelbarer Bestandteil der Sensoreinheit realisiert ist. Dabei kann die elektronische Auswerteeinheit auf dem weiter oben erwähnten Grundkörper der Sensoreinheit platziert und mit auf dem Grundkörper angeordneten, zu den Sensormitteln führenden elektrischen Leitern kontaktiert sein. Die elektronische Auswerteeinheit kommuniziert drahtlos oder drahtgebunden mit einer externen elektronischen Steuereinrichtung, die den allgemeinen Betrieb des Linearantriebes auf der Grundlage des einheitlichen Positionssignals steuert.
Die elektronische Auswerteeinheit lässt sich kostengünstig mittels integrierter Schaltkreise unmittelbar als Bestandteil der Sensoreinheit realisieren. Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn sie in der Form eines oder mehrerer sogenannten ASICs (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit) realisiert ist, der bzw. die in die Sensoreinheit integriert ist/sind und beispielsweise auf dem oben angesprochenen Grundkörper einer ringförmigen Sensoreinheit platziert sein kann/können.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Positionserfassungseinrichtung zusätzlich mit einem Absolutdrucksensor ausgestattet, der in der Lage ist, den in der Gehäusekammer herrschenden Druck zu erfassen und der vorzugsweise als Bestandteil der Sensoreinheit ausgeführt ist. Der Absolutdrucksensor lässt sich beispielsweise als ein IC-Baustein auf einem ringförmigen Grundkörper der Sensoreinheit platzieren. Er kann in die oben erwähnte elektronische Auswerteeinheit integriert sein. Handelt es sich bei dem Linearantrieb um einen fluidbetätigten Linearantrieb, kann mit Hilfe des Absolutdrucksensors der in der von einer Antriebskammer gebildeten Gehäusekammer herrschende Fluiddruck gemessen und daraus die aktuelle Stellkraft der Abtriebseinheit ermittelt werden.
Die elektronische Auswerteeinheit kann in Verbindung mit dem Absolutdrucksensor in vorteilhafter Weise auch genutzt werden, um bei der Bestimmung des einheitlichen Positionssignals eigendynamische Schwingungen der Druckfeder durch einen Vergleich mit dem durch den Absolutdrucksensor ermittelten Drucksignal und/oder durch weitergehende Algorithmen zu identifizieren und zu kompensieren bzw. herauszufiltern. Zusätzlich oder alternativ ist es auf diese Weise möglich, Informationen über den Systemzustand zu generieren und dadurch auf den Linearantrieb einwirkende Stöße oder ähnliche mechanische Einflüsse zu identifizieren.
Die Positionserfassungseinrichtung kann mit Hilfe der elektronischen Auswerteeinheit auch sehr einfach in wiederkehrender Folge nach einer jeweils festgelegten Anzahl von Betriebszyklen neu kalibriert werden, um eventuellen Verfettungen der Druckfeder oder sonstigen Verschleißerscheinungen Rechnung zu tragen.
Zweckmäßigerweise taucht die Druckfeder mit ihren beiden Stirnseiten jeweils in eine ringförmige Zentrierausnehmung ein, die vorzugsweise jeweils in einem von zwei Zentrierkörpern ausgebildet sind, von denen der eine am Antriebsgehäuse und der andere an der Abtriebseinheit angeordnet ist. Auf diese Weise ist unabhängig von der zwischen der Abtriebseinheit und dem Antriebsgehäuse vorhandenen Relativposition eine stets exakte koaxiale Ausrichtung der Druckfeder gewährleistet. Der am Antriebsgehäuse angeordnete Zentrierkörper kann in vorteilhafter Weise gleichzeitig zur Fixierung der Sensoreinheit genutzt werden, indem er aus zwei Ringelementen axial zusammengesetzt ist, wobei die Sensoreinheit zwischen die beiden Ringelemente eingefügt ist.
Die mit den Zentrierausnehmungen versehenen Zentrierkörper sind insbesondere so gestaltet, dass sie die Blocklänge der Druckfeder aufnehmen können, wenn sich die Abtriebseinheit in ihrer Hubendlage befindet, in der die Druckfeder maximal axial zusammengedrückt ist.
Die Druckfeder ist zweckmäßigerweise auf jeden Fall so ausgelegt, dass sie auch dann noch unter einer gewissen axialen Vorspannung steht, wenn die sie aufnehmende Gehäusekammer aufgrund entsprechender Positionierung der Abtriebseinheit die maximal mögliche Länge aufweist.
Handelt es sich bei dem Linearantrieb um einen fluidbetätigten Linearantrieb, insbesondere um einen sogenannten fluidbetätigten Arbeitszylinder, können zur Unterbringung der Komponenten der Positionserfassungseinrichtung wahlweise die eine oder die andere von zwei durch einen Abtriebskolben der Abtriebseinheit voneinander abgeteilten Antriebskammern im Antriebsgehäuse verwendet werden. Verfügt die Abtriebseinheit über eine an einer Stirnseite aus dem Antriebsgehäuse herausragende Kolbenstange, ist es zwar nicht zwingend, jedoch vorteilhaft, die der Kolbenstange entgegengesetzte Antriebskammer als Gehäusekammer zur Unterbringung der Komponenten der Positionserfassungseinrichtung zu nutzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 in perspektivischer Darstellung einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Linearantriebes,
2 den Linearantrieb aus 1 im Längsschnitt,
3 den Linearantrieb der 1 und 2 in einer perspektivischen Längsschnittdarstellung mit einer bezüglich 1 um 90° verdrehten Schnittebene,
4 einen zweidimensionalen Längsschnitt mit der gleichen Schnittebene wie in 3,
5 den in 3 strichpunktiert umrahmten Ausschnitt V in einer vergrößerten Darstellung in einer perspektivischen Ansicht,
6 den gleichen Ausschnitt V wie in 5 in einer ebenen Schnittdarstellung,
7 Bestandteile des Linearantriebes der 1 bis 4 im Längsschnitt und in einer Explosionsdarstellung, wobei von der Abtriebseinheit nur ein Abtriebskolben gezeigt und die zugehörige Kolbenstange nicht abgebildet ist,
8 die gleiche Explosionsdarstellung wie in 7 in einem zweidimensionalen Längsschnitt,
9 eine Einzeldarstellung der bei dem Linearantrieb der 1 bis 8 zum Einsatz kommenden, bevorzugt ringförmig ausgebildeten Sensoreinheit, und
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Linearantriebes, das demjenigen der 1 bis 9 mit Ausnahme des Umstandes entspricht, dass es zusätzlich zu der Druckfeder mit einer diesbezüglich entgegengesetzt wirksamen Kompensationsfeder ausgestattet ist.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf beide in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiele, wobei die Bezugszeichen in dem Ausführungsbeispiel der 10 nur zu einem kleinen Teil eingetragen sind, weil diese Ausführungsform mit Ausnahme zusätzlicher Maßnahmen, die sich auf die ergänzende Integration einer Kompensationsfeder 12 beziehen, mit dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 9 identisch ist.
Der in seiner Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Linearantrieb hat eine imaginäre Hauptachse 2, die gleichzeitig die Längsachse des Linearantriebes 1 repräsentiert. Zu dem Linearantrieb 1 gehört ein Antriebsgehäuse 3, das einen Innenraum 4 umschließt, der an einander entgegengesetzten Stirnseiten durch einen ersten und zweiten Abschlussdeckel 5, 6 des Antriebsgehäuses 3 und peripher von einem sich zwischen den beiden Abschlussdeckeln 5, 6 erstreckenden Rohrkörper 7 des Antriebsgehäuses 3 begrenzt ist.
Zu dem Linearantrieb 1 gehört ferner eine Abtriebseinheit 8, die unter Ausführung einer durch einen Doppelpfeil illustrierten Abtriebsbewegung 13 in der Achsrichtung der Hauptachse 2 relativ zum Antriebsgehäuse 3 linear hin und her bewegbar ist.
Wenn der Linearantrieb 1 ein elektrischer Linearantrieb ist, verfügt er über Antriebsmittel, die die Abtriebsbewegung 13 aus elektrischer Energie erzeugen. Ein solcher elektrischer Linearantrieb 1 enthält zweckmäßigerweise einen Elektromotor oder einen elektrischen Linearmotor zur Erzeugung der Abtriebsbewegung 13. Für einen solchen elektrischen Linearantrieb 1 gelten die nachstehenden Ausführungen entsprechend. Der Linearantrieb des Ausführungsbeispiels ist ein fluidbetätigter Linearantrieb, bei dem die Abtriebsbewegung 13 durch Fluidkraft hervorgerufen wird, wobei es sich insbesondere um einen mit Druckluft als Betätigungsfluid betreibbaren Pneumatikantrieb handelt.
Die Abtriebseinheit 8 hat einen in dem Innenraum 4 angeordneten inneren Abtriebsabschnitt 14, in den die zur Erzeugung der Abtriebsbewegung 13 erforderliche Betätigungskraft eingeleitet wird. Dieser innere Abtriebsabschnitt 14 ist bei dem fluidbetätigten Linearantrieb 1 des Ausführungsbeispiels ein im Folgenden als Abtriebskolben 14a bezeichneter Kolben. Mit dem inneren Abtriebsabschnitt 14 ist ein äußerer Abtriebsabschnitt 15 bewegungsgekoppelt, der einen außerhalb des Antriebsgehäuses 3 angeordneten Abgriffsabschnitt 16 aufweist, an dem die Abtriebsbewegung 13 für beliebige Zwecke abgreifbar ist, beispielsweise zur Betätigung eines Maschinenteils.
Der äußere Abtriebsabschnitt 15 ist bevorzugt eine Kolbenstange 15a, die einenends an dem inneren Abtriebsabschnitt 14 befestigt ist und die sich in Achsrichtung der Hauptachse 2 erstreckt, wobei sie gleitverschieblich den ersten Abschlussdeckel 5 nach außen hin durchsetzt.
Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist der äußere Abtriebsabschnitt 15 ein linear beweglicher Schlitten, der über einen den Rohrkörper 7 durchsetzenden Mitnehmer oder magnetisch mit dem inneren Abtriebsabschnitt 14 bewegungsgekoppelt ist.
Der innere Abtriebsabschnitt 14 unterteilt den Innenraum 4 axial in zwei Teilräume, die beim Ausführungsbeispiel eine sich zwischen dem ersten Abschlussdeckel 5 und dem inneren Abtriebsabschnitt 14 erstreckende erste Antriebskammer 17 und eine sich zwischen dem zweiten Abschlussdeckel 6 und dem inneren Abtriebsabschnitt 14 erstreckende zweite Antriebskammer 18 definieren. Indem der innere Abtriebsabschnitt 14 ein Abtriebskolben 14a ist, der peripher über Dichtmittel 22 verfügt, die gleitverschieblich unter Abdichtung an der Innenumfangsfläche 23 des Rohrkörpers 7 anliegen, sind die beiden Antriebskammern 17, 18 fluiddicht voneinander abgetrennt.
In die beiden Antriebskammern 17, 18 mündet jeweils einer von zwei das Antriebsgehäuse 3 durchsetzenden Steuerkanälen 24, 25, die jeweils außen am Antriebsgehäuse 3 ausmünden und durch die hindurch mittels einer nicht weiter abgebildeten externen Steuerventileinrichtung eine gesteuerte Fluidbeaufschlagung der beiden Antriebskammern 17, 18 hervorgerufen werden kann, um die Abtriebsbewegung 13 zu erzeugen. Exemplarisch mündet jeder Steuerkanal 24, 25 über eine zu der Hauptachse 2 konzentrische zentrale Kanalöffnung 24a, 25a an der dem Innenraum 4 zugewandten inneren Stirnfläche 5a, 6a des zugeordneten Abschlussdeckels 5, 6 in die zugeordnete erste beziehungsweise zweite Antriebskammer 17, 18 ein.
Eine der beiden Antriebskammern 17, 18, vorzugsweise die der Kolbenstange 15a abgewandte zweite Antriebskammer 18, wird als eine Gehäusekammer 26 zur Unterbringung von Komponenten einer Positionserfassungseinrichtung 27 des Linearantriebes 1 genutzt. Mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtung 27 ist eine analoge Positionserfassung der Abtriebseinheit 8 möglich, um insbesondere deren in Achsrichtung der Hauptachse 2 bezüglich des Antriebsgehäuses 3 eingenommene Relativposition zu messen beziehungsweise zu detektieren. Mit Hilfe der Positionserfassungseinrichtung 27 kann ein elektrisches Positionssignal generiert werden, das in einer bevorzugt externen elektronischen Steuereinrichtung 28 verwertbar ist, um den Betrieb des Linearantriebes 1 oder auch noch anderer Komponenten eines maschinellen Systems betriebsmäßig zu steuern.
Wesentliche Bestandteile der Positionserfassungseinrichtung 27 sind eine in der Gehäusekammer 26 mit zu der Hauptachse 3 paralleler Wirkrichtung angeordnete Druckfeder 32 und eine mit der Druckfeder 32 kooperierende kraftsensitive Sensoreinheit 33. Letztere wird im Folgenden zur Vereinfachung auch nur noch als Sensoreinheit 33 bezeichnet.
Die Druckfeder 32 hat eine Längsachse 34, die mit der Hauptachse 2 zusammenfällt und in deren Achsrichtung die Druckfeder 32 komprimierbar und expandierbar ist. Die Druckfeder 32 hat rechtwinkelig zu der Längsachse 34 einen ringförmigen Querschnitt und ist bevorzugt von einer Schraubendruckfeder gebildet, d.h. von einer Druckfeder mit schraubenwendelförmiger Struktur.
Die Druckfeder 32 und die Sensoreinheit 33 sind in Achsrichtung der Hauptachse 2 in Reihe aufeinanderfolgend in der Gehäusekammer 26 angeordnet. Die Druckfeder 32 hat einen ersten stirnseitigen Endabschnitt 35a, mit dem sie sich an der Abtriebseinheit 8 abstützt, und sie besitzt einen diesbezüglich axial entgegengesetzten zweiten stirnseitigen Endabschnitt 35b, mit dem sie sich an der Sensoreinheit 33 abstützt, die sich ihrerseits axial bezüglich des Antriebsgehäuses 3 abstützt. Beim Ausführungsbeispiel stützt sich die Druckfeder 32 konkret mit ihrem ersten stirnseitigen Endabschnitt 35a an dem Abtriebskolben 14a und mit ihrem zweiten stirnseitigen Endabschnitt 35b, unter Zwischenschaltung der Sensoreinheit 33, an dem zweiten Abschlussdeckel 6 ab.
Um eine bezüglich der Hauptachse 2 exakt koaxiale Ausrichtung der Druckfeder 32 zu gewährleisten und trotz eines großen Außendurchmessers einen Kontakt mit der Innenumfangsfläche 23 des Rohrkörpers 7 zu vermeiden, taucht die Druckfeder 32 mit ihren beiden stirnseitigen Endabschnitten 35a, 35b voraus in jeweils eine von zwei Zentrierausnehmungen 36a, 36b ein, wovon die eine, erste Zentrierausnehmung 36a an dem Abtriebskolben 14a und die andere, zweite Zentrierausnehmung 36b an dem zweiten Abschlussdeckel 6 vorgesehen ist. Jede Zentrierausnehmung 36a, 36b ist ringförmig ausgebildet und koaxial zu der Hauptachse 2 ausgerichtet, wobei sie eine der Druckfeder 32 axial zugewandte Ausnehmungsöffnung 37 aufweist, ausgehend von der sich ihr Querschnitt in axialer Richtung verringert. Es handelt sich hier um den Ringquerschnitt in einer durch die Hauptachse 2 und eine hierzu radial verlaufende Achse aufgespannte Ebene.
Jede Zentrierausnehmung 36a, 36b hat einen zu der Ausnehmungsöffnung 37 axial beabstandeten Ausnehmungsgrund 38, an dem sich die Druckfeder 32 mit ihrem ersten stirnseitigen Endabschnitt 35a direkt und mit ihrem zweiten stirnseitigen Endabschnitt 35b unter Zwischenschaltung der Sensoreinheit 33 jeweils axial abstützt. Durch die konische Querschnittsform der ringförmigen Zentrierausnehmungen 36a, 36b ist die Druckfeder 32 an ihren beiden stirnseitigen Endabschnitten 35a, 35b in radialer Richtung fixiert.
Die Abtriebseinheit 8 ist im Rahmen der Abtriebsbewegung 13 zwischen einer an dem ersten Abschlussdeckel 5 anliegenden ersten Hubendlage und einer sich direkt oder indirekt an dem zweiten Abschlussdeckel 6 abstützenden zweiten Hubendlage verfahrbar. Beim Ausführungsbeispiel ist die zweite Hubendlage eine in das Antriebsgehäuse 3 maximal eingefahrene Position der Abtriebseinheit 8. Die axiale Tiefe der beiden Zentrierausnehmungen 36a, 36b ist so gewählt, dass die komprimierte Druckfeder 32 vollständig darin Platz findet, wenn die zweite Hubendlage vorliegt, sodass die zweite Hubendlage durch den Kontakt zwischen der Abtriebseinheit 8 und dem Antriebsgehäuse 3 vorgebbar ist und nicht durch die möglicherweise schon früher auf Block zusammengedrückte Druckfeder 32 beeinflusst wird.
Die beiden Zentrierausnehmungen 36a, 36b sind zweckmäßigerweise jeweils in einem von zwei ringförmigen Zentrierkörpern 42a, 42b ausgebildet. Hiervon ist ein die erste Zentrierausnehmung 36a aufweisender erster Zentrierkörper 42a an der Abtriebseinheit 8 und ein die zweite Zentrierausnehmung 36b definierender zweiter Zentrierkörper 42b am Antriebsgehäuse 3 angeordnet. Bevorzugt bildet der erste Zentrierkörper 42a einen Bestandteil des Abtriebskolbens 14a und befindet sich an dessen dem zweiten Abschlussdeckel 6 zugewandter Axialseite. Dies trifft auf das Ausführungsbeispiel zu. Der zweite Zentrierkörper 42b ist an dem die Gehäusekammer 26 an der gegenüberliegenden Seite begrenzenden Abschlussdeckel angeordnet, bei dem es sich exemplarisch um den zweiten Abschlussdeckel 6 handelt. Der zweite Zentrierkörper 42b ist bevorzugt an der dem Innenraum 4 zugewandten Stirnseite des zweiten Abschlussdeckels 6 angebracht. Der zweite Zentrierkörper 42b ist zweckmäßigerweise mittels ihn durchsetzender Befestigungsschrauben 43 mit dem zweiten Abschlussdeckel 6 verschraubt. Der erste Zentrierkörper 42a bildet zweckmäßigerweise einen von mehreren Kolbenkörpern des Abtriebskolbens 14a, die axial aufeinanderfolgend angeordnet und miteinander verspannt sind, bevorzugt durch die sie durchsetzende Kolbenstange 15a.
Zweckmäßigerweise bilden die die Zentrierausnehmungen 36a, 36b radial innen begrenzenden inneren Ringabschnitte 44 der beiden Zentrierkörper 42a, 42b axiale Anschläge, die zur Vorgabe der zweiten Hubendlage der Abtriebseinheit 8 axial aneinander anliegen können, bevor die Druckfeder 32 auf das maximal mögliche Maß komprimiert ist.
Der mit der Sensoreinheit 33 bestückte zweite Zentrierkörper 42b setzt sich vorzugsweise aus zwei unter Eingliederung der Sensoreinheit 33 axial zusammengefügten ersten und zweiten Ringelementen 45a, 45b zusammen. Dabei bildet das erste Ringelement 45a den inneren Ringabschnitt 44 des zweiten Zentrierkörpers 42b und das zweite Ringelement 45b wird zweckmäßigerweise von den Befestigungsschrauben 43 axial durchsetzt und zur Fixierung an dem zweiten Abschlussdeckel 6 genutzt.
Zwischen den beiden Ringelementen 45a, 45b ist im Bereich des Ausnehmungsgrundes 38 eine Befestigungsnut 46 gebildet, die an ihrer radialen Außenseite in die zweite Zentrierausnehmung 36b ausmündet und in der ein ringförmiger Grundkörper 47 der Sensoreinheit 33 mit seinem radial innen liegenden inneren Ringabschnitt 47a aufgenommen und axial verspannt ist. Auf diese Weise ist dieser ringförmige Grundkörper 47 der Sensoreinheit 33 bezüglich des Antriebsgehäuses 3 axial ortsfest fixiert.
Der Grundkörper 47 hat auch einen sich radial außen an den inneren Ringabschnitt 47a anschließenden äußeren Ringabschnitt 47b, der in der zweiten Zentrierausnehmung 36b in den dem zweiten stirnseitigen Endabschnitt 35b der Druckfeder 32 axial vorgelagerten Bereich ragt. Dieser äußere Ringabschnitt 47b liegt beim Ausführungsbeispiel also axial zwischen der Druckfeder 32 und dem Ausnehmungsgrund 38 der zweiten Zentrierausnehmung 36b. Über den Grundkörper 47 ist die Sensoreinheit 33 insgesamt am Antriebsgehäuse 3 befestigt.
Die Sensoreinheit 33 verfügt über wenigstens drei in gleichmäßiger Verteilung um die Hauptachse 2 herum punktuell verteilte und gemäß Doppelpfeilen 49 bewegliche Krafteinleitungsabschnitte 48, an denen sich die Druckfeder 32 mit einer ihrer Stirnseiten, beim Ausführungsbeispiel mit ihrem zweiten stirnseitigen Endabschnitt 35b, direkt oder indirekt abstützt. Auf diese Weise wird die Federkraft der Druckfeder 32 in die Krafteinleitungsabschnitte 48 eingeleitet. Die Krafteinleitungsabschnitte 48 liegen auf einer gemeinsamen, zu der Hauptachse 2 konzentrischen Kreislinie, deren Durchmesser zumindest im Wesentlichen dem Ringdurchmesser der im Querschnitt oder axial betrachtet ringförmigen Druckfeder 32 entspricht.
Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel stützt sich die Druckfeder 32 mit ihrem zweiten stirnseitigen Endabschnitt 35b, das heißt mit der letzten Federwindung, direkt an den Krafteinleitungsabschnitte 48ab. Für die Präzision der Positionserfassungseinrichtung 27 ist es allerdings vorteilhaft, wenn eine gleichmäßig verteilte Krafteinleitung der Federkraft in die Krafteinleitungsabschnitte 48 erfolgt. Dies wird dadurch begünstigt, dass entsprechend dem Ausführungsbeispiel axial zwischen den Krafteinleitungsabschnitten 48 und der Druckfeder 32 in koaxialer Anordnung ein gesonderter Adapterring 52 angeordnet ist. Dieser Adapterring 52 ist axial von der einen Seite her durch die Druckfeder 32 beaufschlagt und liegt mit seiner von der Druckfeder 32 abgewandten Stirnfläche an sämtlichen Krafteinleitungsabschnitten 48 an. Die von der Druckfeder 32 hervorgerufene Federkraft wird folglich in den Adapterring 52 eingeleitet und von dem Adapterring gleichmäßig auf die an ihm anliegenden Krafteinleitungsabschnitte 48 der Sensoreinheit 33 verteilt.
Die Sensoreinheit 33 verfügt pro Krafteinleitungsabschnitt 48 über ein kraftsensitives Sensormittel 53. Jedes dieser Sensormittel 53 ist in der Lage, ein insbesondere analoges Messsignal zu generieren, das von der momentan auf den zugeordneten Krafteinleitungsabschnitt 48 einwirkenden Federkraft abhängig ist, wobei insbesondere eine proportionale Abhängigkeit gegeben ist. Bei dem hierdurch generierbaren Messsignal handelt es sich insbesondere um ein elektrisches Messsignal.
Der Krafteinleitungsabschnitt 48 kann ein unmittelbarer Bestandteil des ihm zugeordneten Sensormittels 53 sein. Als vorteilhafter wird es jedoch angesehen, wenn es sich bei den Sensormitteln 53 um bezüglich der Krafteinleitungsabschnitte 48 zusätzliche Komponenten handelt, die derart platziert sind, dass sie von der Federkraft besonders stark beansprucht werden und daher ein besonders präzises Messsignal erzeugen können.
Die Sensormittel 53 sind insbesondere von einem solchen Typ, der kraftabhängig verformbar ist und ein vom momentanen Verformungsgrad abhängiges elektrisches Messsignal generiert. Derartige Sensormittel 53 kommen beim Ausführungsbeispiel zum Einsatz, wobei die Sensormittel 53 allgemein als Dehnungssensoren ausgeführt sind und konkret in vorteilhafter Weise von Dehnungsmessstreifen 53a gebildet sind oder zumindest einen solchen Dehnungsmessstreifen 53a enthalten. Die Dehnungsmessstreifen 53a oder allgemein die Dehnungssensoren liefern ein elektrisches Messsignal, das proportional zu ihrer Dehnung ist. Der momentane Dehnungsgrad wiederum hängt von der auf den zugeordneten Krafteinleitungsabschnitt 48 einwirkenden Federkraft ab. Diese Federkraft wiederum hängt vom aktuellen Kompressionsgrad der Druckfeder 32 ab und folglich von der momentanen Axialposition der Abtriebseinheit 8 relativ zum Antriebsgehäuse 3. Auf diese Weise ist eine präzise Positionserfassung der Abtriebseinheit 8 möglich.
Von den Sensormitteln 53, deren Anzahl zweckmäßigerweise der Anzahl der Krafteinleitungsabschnitte 48 entspricht, liefert jedes ein eigenes elektrisches Messsignal. Diese mehreren Messsignale werden über elektrische Leitungen 54, die in 9 nur schematisch angedeutet sind, einer elektronischen Auswerteeinheit 55 zugeleitet, die so ausgebildet ist, dass sie basierend auf den ihr zugeführten Messsignalen der unterschiedlichen Sensormittel 53 ein einheitliches elektrisches Positionssignal generiert. Dieses einheitliche Positionssignal kann beispielsweise ein Mittelwert aus den Messsignalen der einzelnen Sensormittel 53 sein, kann aber alternativ auch mittels anderer vorteilhafter Algorithmen, die in der Auswerteeinheit 55 hinterlegt sind, erzeugt werden. Hierzu ist die elektronische Auswerteeinheit 55 mit geeigneten elektronischen Auswertemitteln ausgestattet, die insbesondere frei programmierbar sind, sodass sich die Positionserfassungseinrichtung 27 sehr variabel an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen lässt.
Die elektronische Auswerteeinheit 55 ist vorzugsweise ein unmittelbarer Bestandteil der Sensoreinheit 33, die insgesamt bevorzugt ringförmig ausgebildet und koaxial zu der Hauptachse 2 im Antriebsgehäuse 3 angeordnet ist. Beispielsweise könnte die elektronische Auswerteeinheit 55 mittels mindestens eines sogenannten ASIC realisiert sein. Exemplarisch sitzt die elektronische Auswerteeinheit 55 auf dem ringförmigen Grundkörper 47 der Sensoreinheit 33. Die elektrischen Leiter 54 sind, ebenso wie zumindest teilweise auch die Sensormittel 53, nach Art gedruckter Schaltungen oder in MID-Technologie (MID = Moulded Interconnect Device) auf dem bevorzugt aus Kunststoffmaterial bestehenden Grundkörper 47 angeordnet.
Die Krafteinleitungsabschnitte 48 sind relativ zu dem Grundkörper 47 gemäß den Doppelpfeilen 49 hin und her beweglich. Bei dieser Bewegung 49 handelt es sich insbesondere um eine im Rahmen eines Biegevorganges ausführbare Schwenkbewegung. Die Krafteinleitungsabschnitte 48 sind zweckmäßigerweise als federelastisch biegbar an dem Grundkörper 47 einstückig angeordnete Zungenabschnitte 56 realisiert. Diese Zungenabschnitte 56 sind bevorzugt jeweils in einer radial außen offenen Randaussparung 57 des äußeren Ringabschnittes 47b des Grundkörpers 47 angeordnet, wobei sie sich jeweils ein Stückweit in der Umfangsrichtung 58 des ringförmigen Grundkörpers 47 erstrecken, die in 9 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist und bei der es sich um die Richtung rings um die Hauptachse 2 herum handelt.
Jeder Zungenabschnitt 56 schließt sich in einem Fußabschnitt 62 einstückig an den Grundkörper 47 an und erstreckt sich ausgehend von diesem Fußabschnitt 62 in der Umfangsrichtung 58 ohne Berührung zum Grundkörper 47 bis hin zu einem dem Fußabschnitt 62 entgegengesetzten freien Endabschnitt 63. Der freie Endabschnitt 63 bildet die eigentliche Krafteinleitungsstelle für die Krafteinleitung der Federkraft. Der Adapterring 52 liegt nur an diesen freien Endabschnitten 63 der Zungenabschnitte 56 an.
Letzteres wird beim Ausführungsbeispiel dadurch begünstigt, dass die Zungenabschnitte 56 mit ihren freien Endabschnitten 63 aus der Ebene des ringförmigen Grundkörpers 47 axial in Richtung zur Druckfeder 32 vorstehen. Auf diese Weise kann der Adapterring 52 an den freien Endabschnitten 63 anliegen und dennoch einen axialen Abstand 64 zu dem Grundkörper 47 aufweisen, der eine relative axiale Bewegbarkeit des Adapterringes 52 bezüglich des ringförmigen Grundkörpers 47 gewährleistet.
Bei maximalem axialem Abstand zwischen der Abtriebseinheit 8 und dem zweiten Abschlussdeckel 6 sind die Zungenabschnitte 56 um einen maximalen Betrag aus der Ringebene des ringförmigen Grundkörpers 47 herausgebogen. Diese Stellung der Zungenabschnitte 56 sei als Grundstellung bezeichnet. Wenn mit zunehmender Verringerung des Abstandes zwischen der Abtriebseinheit 8 und dem zweiten Abschlussdeckel 6 die Federkraft der Druckfeder 32 ansteigt, werden die Zungenabschnitte 56 proportional zur Krafterhöhung in der Achsrichtung der Hauptachse 2 in Richtung zum Grundkörper 47 gemäß Doppelpfeilen 49 zurückgebogen. Damit verbunden ist eine Verformung bzw. Dehnung der Dehnungsmessstreifen 53a, die zweckmäßigerweise im Bereich des Fußabschnittes 62 eines jeweiligen Zungenabschnittes 56 so angebracht sind, dass sie jeweils den Zungenabschnitt 56 und den sich daran anschließenden Abschnitt des Grundkörpers 47 ein Stückweit überlappen. In diesem Übergangsbereich ist die Dehnung bei der Auslenkung der Zungenabschnitte 56 am größten und folglich wird hier das präziseste Messsignal erhalten.
Zweckmäßigerweise ist jeder Zungenabschnitt 56 durch eine ihm zugeordnete, zusätzlich zu der Druckfeder 32 vorhandene Vorspannfeder 65 in die Grundstellung vorgespannt. Jede Vorspannfeder 65 ist auf der der Druckfeder 32 axial entgegengesetzten Rückseite der Sensoreinheit 33 angeordnet, wobei sie zum einen gegen die dort befindliche Rückseite des Zungenabschnittes 56 drückt und sich zum anderen am Ausnehmungsgrund 38 der zweiten Zentrierausnehmung 36b abstützt. Ein in die Vorspannfeder 65 hineinragender, bevorzugt einstückig an dem zweiten Zentrierkörper 42b angeordneter Zentriervorsprung 66 fixiert die zugeordnete Vorspannfeder 65 an Ort und Stelle, wobei die Vorspannfeder 65 bevorzugt auch eine Schraubendruckfeder ist.
Durch die Vorspannfedern 65 wird die der Druckfeder 32 durch die Zungenabschnitte 56 entgegengesetzte Gegenkraft vergrößert und dadurch der Messbereich erheblich erweitert.
Beim Ausführungsbeispiel verfügt die Sensoreinheit 33 über genau drei in Winkelabständen von 120° um die Hauptachse 2 herum verteilte, jeweils von einem der Zungenabschnitte 56 gebildete Krafteinleitungsabschnitte 48. Die Anzahl der Krafteinleitungsabschnitte 48 kann auch größer sein, wobei sich stets eine gleichmäßige Verteilung in der Umfangsrichtung 58 empfiehlt.
Die elektronische Auswerteeinheit 55 kann über von ihr abgehende elektrische Leiter 69, die aus dem Antriebsgehäuse 3 herausgeführt sind, mit der externen elektronischen Steuereinrichtung 28 kommunizieren, um dieser das erzeugte einheitliche Positionssignal zur Weiterverarbeitung zuzuleiten.
Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektronische Auswerteeinheit 55 kein direkter Bestandteil der Sensoreinheit 33, sondern extern angeordnet und beispielsweise ein Bestandteil einer externen elektronischen Steuereinrichtung 28. In diesem Fall erfolgt die Aufbereitung der Messsignale zu dem einheitlichen Positionssignal extern. Die Vor-Ort-Signalverarbeitung in der Sensoreinheit 33 ist jedoch vorteilhafter, weil der Nutzer keine speziellen externen Auswertemittel zur Verfügung stellen muss.
Die Dehnungsmessstreifen 53a sind vorzugsweise zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet. Damit verbunden ist eine sehr genaue Signalverarbeitung und eine zumindest weitestgehende Unempfindlichkeit gegen Temperaturschwankungen.
Da die durch Verbiegen auslenkbaren Zungenabschnitte 56 komplett innerhalb der von der zweiten Antriebskammer 18 gebildeten Gehäusekammer 26 angeordnet sind, sind sie ringsum von dem zur Betätigung des Linearantriebes 1 in die zweite Antriebskammer 18 eingeleiteten Betätigungsfluid umspült, sodass ihre Stellung und Beweglichkeit von dem im Linearantrieb 1 herrschenden Betriebsdruck unabhängig ist und sich eine ausschließliche Sensitivität bezüglich der Positionsänderung der Abtriebseinheit 8 ergibt.
Zweckmäßigerweise ist die Positionserfassungseinrichtung 27 auch mit einem den in der Gehäusekammer 26 herrschenden Fluiddruck erfassenden Absolutdrucksensor 67 ausgestattet. Mit Hilfe eines solchen Absolutdrucksensors 67 besteht unter anderem die Möglichkeit, auf der Basis des in der Gehäusekammer 26 gemessenen Fluiddruckes die maximale Kraft des Linearantriebes zu ermitteln.
Bevorzugt ist der Absolutdrucksensor 67 ein unmittelbarer Bestandteil der Sensoreinheit 33, wobei er beim Ausführungsbeispiel in die elektronische Auswerteeinheit 55 integriert ist.
Vorzugsweise ist die elektronische Auswerteeinheit 55 so ausgebildet, dass sie unter Berücksichtigung der vom Absolutdrucksensor 67 gelieferten Druckmesswerte in der Lage ist, eigendynamische Schwingungen der Druckfeder 32 zu kompensieren. Außerdem können auf diese Weise auf den Zylinder extern einwirkende Stöße oder sonstige mechanische Einflüsse identifiziert werden. Mit Hilfe der elektronischen Auswerteeinheit 55 lässt sich im Übrigen auch in vorteilhafter Weise eine Kalibrierung des Positionssignals durchführen.
Schwingungen in den Messsignalen der Sensormittel 53 der Positionserfassungseinrichtung 27 können auf tatsächliche Schwingungen der Abtriebseinheit 8 oder auch nur auf durch Stöße hervorgerufene Schwingungen der Druckfeder 32 zurückzuführen sein. Schwingungen der Druckfeder 22 würden daher zu einem verfälschten Positionssignal beziehungsweise Wegsignal führen. Mit Hilfe der zusätzlichen Druckerfassung des in der Gehäusekammer 26 herrschenden Betriebsdruckes kann identifiziert werden, auf welche Art von Schwingungen das aktuelle Messsignal zurückzuführen ist. Wird gleichzeitig mit den schwingenden Messsignalen der Positionserfassungseinrichtung 27 ein konstanter Betriebsdruck gemessen, ist dies ein Zeichen dafür, dass keine realen Positionsänderungen der Abtriebseinheit 8 vorliegen, sondern lediglich Schwingungen in der Druckfeder 32, die zu Auslenkungen der Zungenabschnitte 56 führen. Die elektronischen Auswertemittel der Auswerteeinheit 55 sind so ausgebildet, dass sie mittels eines hinterlegten Algorithmus entsprechend erkannte Störsignale herausfiltern beziehungsweise glätten können.
Auf ungewollte Druckschwankungen lässt sich schließen, wenn der Absolutdrucksensor 67 Druckschwankungen in der Gehäusekammer 26 registriert, gleichzeitig aber die Messsignale der Positionserfassungseinrichtung 27 konstant sind. Auch für eine derartige Auswertung ist die elektronische Auswerteeinheit 55 vorzugsweise ausgelegt.
Obwohl die Druckfeder 32 möglichst weich ausgebildet ist, übt sie selbstverständlich eine gewisse Stellkraft auf die Abtriebseinheit 8 aus. Ist ihre Federkraft im drucklosen Zustand des Systems größer als die Reibkraft zwischen der Abtriebseinheit 8 und dem Antriebsgehäuse 3, kann dies zu unerwünschten Relativbewegungen zwischen der Abtriebseinheit 8 und dem Antriebsgehäuse 3 führen. Als Gegenmaßnahme bietet sich hier die schon weiter oben angesprochene zusätzliche Ausstattung des Linearantriebes 1 mit einer Kompensationsfeder 12 an, die gemäß dem Ausführungsbeispiel der 10 mit entgegengesetzter Kraftrichtung wie die Druckfeder 32 im Innenraum 4 des Antriebsgehäuses 3 auf die Abtriebseinheit 8 einwirkt. Hierzu ist die Kompensationsfeder 12 vorzugsweise in der nicht zur Aufnahme der Druckfeder 32 genutzten Antriebskammer untergebracht, bei der es sich gemäß Ausführungsbeispiel der 10 um die erste Antriebskammer 17 handelt. Die Kompensationsfeder 12 ist koaxial zu der Hauptachse 2 angeordnet, wobei sie sich axial einerseits an dem inneren Abtriebsabschnitt 14 und andererseits an dem ersten Abschlussdeckel 5 abstützt. Zur Zentrierung der Kompensationsfeder 12 sind zweckmäßigerweise vergleichbar wie bei der Druckfeder 32 zwei Zentrierkörper 68a, 68b vorhanden, die in vergleichbarer Weise wie die der Druckfeder 32 zugeordneten Zentrierkörper 42a, 42b ausgebildet sein können, wobei der erste Zentrierkörper 68a ein Bestandteil des inneren Abtriebsabschnittes 14 ist und der zweite Zentrierkörper 68b stirnseitig innen an dem ersten Abschlussdeckel 5 befestigt ist.
Die Unterbringung der Druckfeder 32 und der Kompensationsfeder 12 kann bezüglich der beiden Antriebskammern 17, 18 auch vertauscht sein.
Die Kompensationsfeder 12 hat vorzugsweise die gleiche Federrate beziehungsweise Federkennlinie wie die Druckfeder 32. Bedingt durch die zusätzliche Kompensationsfeder 12 sind im drucklosen Zustand der beiden Antriebskammern 17, 18 die auf die Abtriebseinheit 8 einwirkenden Federkräfte exakt ausgeglichen, sodass die Abtriebseinheit 8 an Ort und Stelle verharrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3036485 A1 [0002]

Claims

Linearantrieb, mit einem Antriebsgehäuse (3) und einer diesbezüglich zu einer linearen Abtriebsbewegung (13) in Achsrichtung einer Hauptachse (2) antreibbaren Abtriebseinheit (8), ferner mit einer Positionserfassungseinrichtung (27) zur Positionserfassung der Abtriebseinheit (8), zu der eine einen ringförmigen Querschnitt aufweisende und mit zu der Hauptachse (2) paralleler Wirkrichtung in einer Gehäusekammer (26) des Antriebsgehäuses (3) angeordnete Druckfeder (32) gehört, die axial zwischen die Abtriebseinheit (8) und eine bezüglich des Antriebsgehäuses (3) abgestützte kraftsensitive Sensoreinheit (33) der Positionserfassungseinrichtung (27) eingegliedert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (33) wenigstens drei gleichmäßig um die Hauptachse (2) herum punktuell verteilte Krafteinleitungsabschnitte (48) aufweist, an denen sich die Druckfeder (32) stirnseitig abstützt und denen jeweils ein eigenes, auf die Federkraft der Druckfeder (32) ansprechendes kraftsensitives Sensormittel (53) zugeordnet ist, wobei die durch diese mehreren Sensormittel (53) gleichzeitig generierbaren Messsignale die Grundlage für ein der aktuellen Position der Abtriebseinheit (8) entsprechendes einheitliches Positionssignal bilden.
Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Antriebsgehäuse (3) eine mit entgegengesetzter Kraftrichtung wie die Druckfeder (32) auf die Abtriebseinheit (8) einwirkende Kompensationsfeder (12) angeordnet ist, deren Federkennlinie zweckmäßigerweise zumindest im Wesentlichen mit derjenigen der Druckfeder (32) übereinstimmt.
Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebseinheit (8) einen die mit der Druckfeder (32) ausgestattete Gehäusekammer (26) begrenzenden, zum Hervorrufen der Abtriebsbewegung (13) mit einem fluidischen Druckmedium beaufschlagbaren Abtriebskolben (14a) aufweist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (53) von einer Bauart sind, die kraftabhängig verformbar ist und durch die ein vom Verformungsgrad abhängiges Messsignal generierbar ist.
Linearantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (53) über Dehnungssensoren und zweckmäßigerweise über Dehnungsmessstreifen (53a) verfügen, die zweckmäßigerweise zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (32) eine Schraubendruckfeder ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (33) über genau drei in Winkelabständen von 120° um die Hauptachse (2) herum verteilte Krafteinleitungsabschnitte (48) verfügt.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (33) ringförmig ausgebildet und koaxial zu der Hauptachse (2) angeordnet ist.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Krafteinleitungsabschnitte (48) auf einer zu der Hauptachse (2) konzentrischen Kreislinie liegen, wobei zwischen den Krafteinleitungsabschnitten (48) und der Druckfeder (32) koaxial ein gesonderter Adapterring (52) angeordnet ist, der die von der Druckfeder (32) erzeugte Federkraft auf alle vorhandenen Krafteinleitungsabschnitte (48) verteilt.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (33) einen bezüglich des Antriebsgehäuses (3) axial ortsfest fixierten Grundkörper (47) aufweist, an dem als Krafteinleitungsabschnitte (48) fungierende Zungenabschnitte (56) einstückig angeordnet sind, die in Achsrichtung der Hauptachse (2) relativ zu dem Grundkörper (47) elastisch biegbar sind und denen zur Generierung eines vom Biegezustand abhängigen Messsignals jeweils eines der kraftsensitiven Sensormittel (53) zugeordnet ist.
Linearantrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die als Krafteinleitungsabschnitte (48) fungierenden Zungenabschnitte (56) jeweils durch eine Vorspannfeder (65) relativ zu dem Grundkörper (47) in eine in Richtung zu der Druckfeder (32) ausgelenkte Grundstellung vorgespannt sind.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionserfassungseinrichtung (27) eine aus den Messsignalen der einzelnen Sensormittel (53) das einheitliche Positionssignal generierende elektronische Auswerteeinheit (55) enthält, die zweckmäßigerweise als ein unmittelbarer Bestandteil der Sensoreinheit (33) ausgebildet ist.
Linearantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteeinheit (55) ausgebildet ist, um das einheitliche Positionssignal auf der Basis einer Mittelwertbildung aus den Messsignalen der einzelnen Sensormittel (53) zu generieren.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionserfassungseinrichtung (27) mit einem den in der Gehäusekammer (26) herrschenden Fluiddruck erfassenden Absolutdrucksensor (67) ausgestattet ist, der zweckmäßigerweise als Bestandteil der Sensoreinheit (33) ausgeführt ist.
Linearantrieb nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionserfassungseinrichtung (27) eine elektronische Auswerteeinheit (55) enthält, die unter Berücksichtigung der Messsignale der Sensormittel (53) und von Druckmesssignalen des Absolutdrucksensors (67) eine Identifikation und vorzugsweise auch ein Herausfiltern von Störsignalen durchführen kann.
Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (32) stirnseitig in ringförmige, sich im Querschnitt verjüngende Zentrierausnehmungen (36a, 36b) zweier Zentrierkörper (42a, 42b) eintaucht, von denen der eine am Antriebsgehäuse (3) und der andere an der Abtriebseinheit (8) angeordnet ist, wobei der am Antriebsgehäuse (3) angeordnete Zentrierkörper (42b) zweckmäßigerweise aus zwei unter Eingliederung und Fixierung der Sensoreinheit (33) zusammengefügten Ringelementen (45a, 45b) besteht.