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Die Erfindung betrifft einen Fluidzylinder zur Bereitstellung einer Linearbewegung, mit einem Zylindergehäuse, in dem eine Zylinderbohrung ausgebildet ist, die längs einer Zylinderachse erstreckt ist und in der ein Kolben abdichtend linearbeweglich aufgenommen ist, der mit einer längs der Zylinderachse erstreckten Kolbenstange eine Kolbenanordnung bildet, wobei die Kolbenstange einen endseitig am Zylindergehäuse angeordneten Lagerdeckel durchsetzt und wobei der Kolben mit dem Zylindergehäuse einen größenvariablen, druckbeaufschlagbaren Arbeitsraum begrenzt, sowie mit einer Sensoreinrichtung zur Bestimmung einer relativen Position des Kolbens gegenüber dem Zylindergehäuse längs der Zylinderachse, wobei die Sensoreinrichtung einen Wellengenerator zur Einkopplung einer Welle in die Kolbenstange und einen Wellenempfänger zum Empfang der in die Kolbenstange eingekoppelten Welle umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Kolbens längs einer Zylinderachse eines Zylindergehäuses.
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Aus der
WO 2013/164755 A1 ist ein System zum Messen der Position einer Kolbenstange bekannt, das zur Nachrüstung an bestehenden Hydraulik- oder Pneumatikzylindern vorgesehen ist und bei dem direkte Laufzeitmessungen mit Hilfe von akustischen Oberflächenwellen durchgeführt werden, die in die Kolbenstange eingebracht werden. Für die Einbringung der Oberflächenwellen in die Kolbenstange ist an einem Lagerdeckel eines Zylindergehäuses ein kombinierter Generator/Sensor vorgesehen, der sowohl für eine Aussendung von Oberflächenwellen auf die Kolbenstange als auch für einen Empfang von Oberflächenwellen von der Kolbenstange vorgesehen ist und mit dessen Hilfe die relative Position der Kolbenstange gegenüber dem Zylindergehäuse bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Fluidzylinder und ein Verfahren zur Bestimmung einer Position eines Kolbens bereitzustellen, die eine präzise Positionsermittlung unter wechselnden Einsatzbedingungen für den Fluidzylinder ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für einen Fluidzylinder mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Wellengenerator und/oder der Wellenempfänger an der Kolbenanordnung angebracht sind.
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Bei einer Anbringung des Wellengenerators an der Kolbenanordnung, insbesondere an der Kolbenstange, ist vorteilhaft, dass eine unmittelbare und direkte Einkopplung von Wellen auf die Kolbenstange ermöglicht wird. Sofern der Wellengenerator hierbei an einem Endbereich der Kolbenstange, insbesondere an einem dem Kolben benachbarten Endbereich der Kolbenstange angeordnet ist, wird eine vorteilhafte Durchsetzung der Kolbenstange mit der vom Wellengenerator bereitgestellten Welle gewährleistet: Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, eine Reflektion der Welle an unterschiedlichen Strukturen der Kolbenstange, insbesondere an geeignet gestalteten Endflächen der Kolbenstange, mit Hilfe des Wellenempfängers zu ermitteln und daraus einen präzisen Rückschluss auf die Position des Kolbens längs der Zylinderachse zu treffen.
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Bei einer Anordnung des Wellenempfängers an der Kolbenanordnung, insbesondere an der Kolbenstange, ist vorteilhaft, dass die vom Wellengenerator eingekoppelte Welle, die sich längs der Kolbenstange ausbreitet, mit Hilfe des Wellenempfängers ohne unerwünschte Dämpfungseffekte ermittelt werden kann, wie sie bei einer lediglich indirekten Kopplung des Wellenempfängers mit der Kolbenanordnung, insbesondere mit der Kolbenstange, auftreten können. Hierdurch wird eine Qualität für das vom Wellenempfänger ermittelte Messsignal gegenüber einer indirekten Ankopplung des Wellenempfängers verbessert und eine Präzision des Messergebnisses begünstigt.
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Bei einer baulichen Trennung des Wellengenerators einerseits und des Wellenempfängers andererseits können unerwünschte gegenseitige Beeinflussungen zwischen Wellengenerator und Wellenempfänger besonders vorteilhaft vermieden werden. Demgegenüber kann bei einer Anordnung von Wellengenerator und Wellenempfänger am gleichen Ort eine vorteilhafte Ausnutzung der Geometrie der Kolbenstange für die Positionsermittlung gewährleistet werden, da die Welle ausgehend vom Wellengenerator bis zu beiden Reflektoreinrichtungen und von dort bis zum Wellenempfänger einen Weg zurücklegen kann, der länger als die Kolbenstange ist, indem ein oder mehrere Reflexionsflächen an der Kolbenstange ausgenutzt werden. Weiterhin wird durch eine Anordnung des Wellengenerators und des Wellenempfängers am gleichen Ort eine Reduzierung von elektrischen Leitungen ermöglicht, was eine mechanische Integration erleichtert.
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Der Wellengenerator ist vorzugsweise als elektromechanischer Wandler, insbesondere als Piezowandler, ausgebildet und ermöglicht eine Wandlung eines elektrischen Steuersignals in eine Bewegung, die in die Kolbenanordnung, insbesondere in die Kolbenstange, eingekoppelt wird. Bevorzugt ist der Wellengenerator als piezoelektrischer Ultraschallwandler ausgebildet, der dazu vorgesehen ist, ein hochfrequentes Steuersignal in eine Transversalwelle oder eine Scherwelle umzuwandeln und diese in die Kolbenanordnung einzukoppeln.
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Der Wellenempfänger ist auf die vom Wellengenerator bereitgestellte Wellenform angepasst und kann exemplarisch ebenfalls als piezoelektrischer Wandler ausgebildet sein, der eine Bewegung der Kolbenanordnung, insbesondere der Kolbenstange, in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Weiterverarbeitung dieses elektrischen Signals kann wahlweise unmittelbar im Wellenempfänger oder in einer separat ausgebildeten Verarbeitungseinrichtung erfolgen, die mit dem Wellenempfänger für die Signalübertragung kontaktlos oder drahtgebunden gekoppelt ist.
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Bei der Anordnung von Wellengenerator und Wellenempfänger am gleichen Ort kann vorgesehen sein, dass Wellengenerator und Wellenempfänger als ein einziges Bauteil, insbesondere als piezoelektrischer Wandler sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Wellengenerator an der Kolbenanordnung angebracht ist und wenn dem Wellengenerator ein Feldwandler zugeordnet ist, der für eine Umwandlung eines in der Zylinderbohrung bereitgestellten Energiefelds in elektrische Energie für Wellengenerator ausgebildet ist. Bei einer Anordnung des Wellengenerators an der Kolbenanordnung, insbesondere an der Kolbenstange, ist die unmittelbare Einkopplung der Welle in die Kolbenanordnung von Vorteil. Darüber hinaus kann bei einer Anordnung des Wellengenerators an einem ersten Endbereich der Kolbenstange vorzugsweise die gesamte Länge der Kolbenstange bis zu einem zweiten Endbereich oder möglicherweise durch geeignete Reflektion der Welle an diesem zweiten Endbereich der Kolbenstange mittels der rücklaufenden Welle eine größere Länge genutzt werden, was eine präzise Ermittlung einer Laufzeit für die Welle in der Kolbenstange erleichtert. Um eine drahtlose Energieversorgung des zusammen mit der Kolbenanordnung beweglichen Wellengenerators zu ermöglichen ist ein Feldwandler vorgesehen. Der Feldwandler ist elektrisch mit dem Wellengenerator verbunden und ist dazu ausgebildet, Energie aus einem Energiefeld, das in der Zylinderbohrung bereitgestellt wird, auszukoppeln und in elektrische Energie zu wandeln. Bei dem Energiefeld kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisches Wechselfeld, vorzugsweise einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, um ein magnetisches Wechselfeld oder um ein Schallfeld handeln. In jedem Fall wird durch die kontaktlose Bereitstellung von Energie an den Wellengenerator eine mechanische und elektrische Aufbauweise für den Fluidzylinder einfach gehalten, da keine Verkabelung zwischen dem Zylindergehäuse und der Kolbenanordnung erforderlich ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Wellenempfänger an dem von der Kolbenstange durchsetzten Lagerdeckel angeordnet ist. Mit dieser Anordnung des Wellenempfängers wird ebenfalls eine vorteilhafte Aufbauweise für den Fluidzylinder begünstigt, da im Bereich des Lagerdeckels typischerweise ohnehin ein Dichtmittel vorgesehen ist, um den vom Zylindergehäuse und der Kolbenanordnung begrenzten Arbeitsraum gegenüber einer Umgebung des Fluidzylinders zu trennen. Dabei kann wahlweise vorgesehen sein, den Wellenempfänger innerhalb des Arbeitsraums und somit innerhalb der Zylinderbohrung anzuordnen oder außerhalb der Zylinderbohrung am Zylindergehäuse vorzusehen. Die Anordnung des Wellenempfängers außerhalb oder innerhalb des Zylindergehäuses ist insbesondere von den geplanten Einsatzbedingungen für den Fluidzylinder, insbesondere von den Eigenschaften des für die Bewegung der Kolbenanordnung verwendeten Arbeitsfluids und der erwarteten Verschmutzung der Zylinderanordnung abhängig. Beispielhaft ist der Wellenempfänger als Schleifring ausgebildet, der an der Oberfläche der Kolbenstange anliegt und mit einem Piezo-Schallwandler gekoppelt ist, um an oder in der Kolbenstange verlaufende Wellen detektieren zu können.
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Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wellenempfänger an der Kolbenanordnung angebracht ist und dass dem Wellenempfänger ein Feldwandler zugeordnet ist, der für eine Beeinflussung eines in der Zylinderbohrung bereitgestellten Energiefelds zur Übertragung von Sensorsignalen ausgebildet ist. Bei einer Anbringung des Wellenempfängers an der Kolbenanordnung wird eine verlustarme Auskopplung für die in oder an der Kolbenstange verlaufende Welle in den Wellenempfänger ermöglicht, sodass hier geringe Verluste und eine besonders präzise Signalermittlung durch den Wellenempfänger begünstigt werden. Um die Übertragung von Sensorsignalen des Wellenempfängers an eine Verarbeitungseinrichtung zu ermöglichen und auch eine Energieversorgung für den Wellenempfänger zu gewährleisten, ist der Wellenempfänger elektrisch mit einem Feldwandler gekoppelt. Dieser Feldwandler ermöglicht eine Beeinflussung eines in der Zylinderbohrung bereitgestellten Energiefelds, wobei durch diese Beeinflussung des Energiefelds eine kontaktlose bzw. drahtlose Signalübertragung vom Wellenempfänger zu einer geeigneten Verarbeitungseinrichtung erfolgen kann. Je nach Ausgestaltung des Wellenempfängers kann dieser ohne Bereitstellung zusätzlicher elektrischer Energie für die Ermittlung der längs der Kolbenstange verlaufenden Wellen ausgebildet sein. Exemplarisch ist hier ein Piezo-Schallwandler zu nennen, der die eintreffenden Wellen an der Kolbenstange ohne Zufuhr elektrischer Energie in elektrische Signale wandeln kann, die dem Feldwandler zugeführt werden, der seinerseits die entsprechende Beeinflussung des Energiefelds in der Zylinderbohrung vornimmt. Beispielhaft kann der Feldwandler für eine Einflussnahme auf ein elektromagnetisches Feld ausgebildet sein, wobei dieses elektromagnetische Feld vom Feldwandler in vorgebbarer Weise beeinflusst wird, um die gewünschte Signalübertragung an die Auswerteeinrichtung zu ermöglichen. Ergänzend kann vorgesehen sein, dass der Feldwandler zusätzlich zur Auskopplung von Energie aus dem Energiefeld ausgebildet ist, um diese Energie in elektrische Energie zur Versorgung des Wellenempfängers umzuwandeln.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wellengenerator an dem von der Kolbenstange durchsetzten Lagerdeckel angeordnet ist. Hierdurch wird eine kompakte Anordnung des Wellengenerators am Zylindergehäuse ermöglicht, wobei der Wellengenerator wahlweise innerhalb der Zylinderbohrung oder an einer Außenoberfläche des Zylindergehäuses angebracht werden kann. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Wellengenerator in gleicher Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Anbringung an der Kolbenanordnung für eine elektromechanische Wandlung von Steuersignalen vorgesehen ist, insbesondere als Ultraschall-Wandler, ausgebildet ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass dem Zylindergehäuse, insbesondere einem Lagerdeckel des Zylindergehäuses, ein Felderzeuger zugeordnet ist, der für eine Bereitstellung eines Energiefelds in die Zylinderbohrung ausgebildet ist. Die Aufgabe des Felderzeugers besteht darin, ein Energiefeld in die Zylinderbohrung einzukoppeln. Bei dem Energiefeld kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisches Wechselfeld, vorzugsweise einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserstrahl, um ein magnetisches Wechselfeld oder um ein Schallfeld handeln, das vom Felderzeuger in geeigneter Weise in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Felderzeuger auch als Feldempfänger ausgebildet ist, sodass Beeinflussungen des Energiefelds, die vom jeweiligen Feldwandler vorgenommen werden, um beispielsweise eine kontaktlose Signalübertragung zwischen dem Wellenempfänger und dem Felderzeuger zu ermöglichen, ermittelt werden können. Vorteilhaft ist es, wenn der Felderzeuger als Hochfrequenzquelle, insbesondere Mikrowellenquelle, für eine Bereitstellung von elektromagnetischen Wellen in die Zylinderbohrung ausgebildet ist und wenn der Feldwandler eine Antenne für eine Energieauskopplung aus dem bereitgestellten elektromagnetischen Wellen umfasst. Bei einer Verwendung von Mikrowellen für die kontaktlose bzw. drahtlose Übertragung von Energie zwischen dem Felderzeuger und dem Feldwandler ist vorteilhaft, dass ein ausreichender Energiefluss für den mit dem Feldwandler verbundenen Wellengenerator bzw. Wellenempfänger gewährleistet werden kann. Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass das Mikrowellensignal mit der Ultraschallfrequenz, die für die Einkopplung in die Kolbenanordnung, insbesondere in die Kolbenstange, vorgesehen ist, moduliert werden kann. Dementsprechend kann beispielsweise bei Anbringung des Wellengenerators an der Kolbenanordnung eine einfache Demodulation des Hochfrequenzsignals für die Anregung der Kolbenstange aus dem Mikrowellensignal vorgenommen werden. Um die Übertragung von Energie mit Hilfe eines Mikrowellensignals zu ermöglichen, ist der jeweilige Feldwandler mit einer Antenne ausgerüstet, die die Energieauskopplung aus den bereitgestellten elektromagnetischen Wellen ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen die Antenne und den Wellengenerator bzw. den Wellenempfänger ein Gleichrichter, insbesondere ein Diodengleichrichter und gegebenenfalls ein Anpassnetzwerk oder alternativ eine Kombination einer Frequenzweiche und eines Mischers angeordnet sind, mit denen in einfacher Weise die mit Hilfe der Mikrowellen übertragene Energie an den Wellenempfänger bzw. Wellengenerator bereitgestellt werden kann.
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Zweckmäßig ist es, wenn an einem dem Kolben entgegengesetzten Endbereich der Kolbenstange eine mechanische Schnittstelle zur Verbindung mit einem anzutreibenden Maschinenelement ausgebildet ist und wenn der mechanischen Schnittstelle eine in Richtung des Kolbens vorgelagerte Reflektoreinrichtung zugeordnet ist, die für eine Reflektion der die in die Kolbenstange eingekoppelten Welle ausgebildet ist. Die Aufgabe der Reflektoreinrichtung besteht darin, eine zuverlässige Reflektion der in die Kolbenstange eingekoppelten Welle zu gewährleisten und dabei einen möglichst großen Anteil der in die Kolbenstange eingekoppelten Welle zu reflektieren. Hierdurch soll gewährleistet werden, dass weitere Reflektionen, die beispielsweise an der mechanischen Schnittstelle der Kolbenstange in unvermeidbarer Weise stattfinden, demgegenüber vernachlässigbar sind und nicht in aufwendiger Weise von dem Wellenempfänger ausgefiltert werden müssen. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Reflektoreinrichtung als Planfläche in einem Nutgrund einer stirnseitig in die Kolbenstange eingebrachten Nut ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Wellengenerator und der Wellenempfänger eine Generatorempfängereinheit bilden, der ein Feldwandler zugeordnet ist, der für eine Umwandlung eines in der Zylinderbohrung bereitgestellten Energiefelds in elektrische Energie für die Generatorempfängereinheit und für eine Umwandlung von elektrischen Signalen, die von der Generatorempfängereinheit bereitgestellt werden, in ein Energiefeld ausgebildet ist. Bei einer solchen Generatorempfängereinheit kann ein Piezo-Schallwandler sowohl für die Wellengeneratorfunktion als auch für die Wellenempfängerfunktion verwendet werden, wodurch die Anzahl der Bauteile verringert und ein erforderlicher Bauraum verkleinert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt mit einem Verfahren gelöst, wie es im Anspruch 10 angegeben ist. Hierbei umfasst das Verfahren die Schritte: Einkoppeln einer Welle an einem ersten Endbereich einer Kolbenstange, Ermitteln einer ersten Laufzeit, die die Welle ausgehend vom ersten Endbereich bis zu einem Wellenempfänger benötigt, Ermitteln einer zweiten Laufzeigt, die die Welle ausgehend vom ersten Endbereich bis zu einer Reflektoreinrichtung, die an einem zweiten Endbereich der Kolbenstange ausgebildet ist und von der Reflektoreinrichtung bis zum Wellenempfänger benötigt, Ermitteln einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit anhand der beiden Laufzeiten und Ermitteln der Position anhand wenigstens einer der Laufzeiten unter Einbeziehung der ermittelten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft, dass die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit der Welle an und/oder in der Kolbenstange mit jeder Positionsermittlung berechnet werden kann und somit äußere Einflüsse, insbesondere Temperatureinflüsse und/oder Druckeinflüsse, die die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit beeinflussen können, für die Positionsermittlung unerheblich sind. Hierdurch kann mit dem Verfahren eine besonders robuste Positionsmessung bereitgestellt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem dritten Erfindungsaspekt mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 11 gelöst. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: Einkoppeln einer Welle an einem ersten Endbereich einer Kolbenstange mit einem Wellengenerator, Ermitteln einer ersten Laufzeit, die die Welle ausgehend vom ersten Endbereich bis zu einer ersten Reflektoreinrichtung, die an einem Lagerbereich der Kolbenstange ausgebildet ist, und von der Reflektoreinrichtung bis zum Wellenempfänger benötigt, Ermitteln einer zweiten Laufzeit, die die Welle ausgehend vom ersten Endbereich bis zu einer zweiten Reflektoreinrichtung, die an einem zweiten Endbereich der Kolbenstange ausgebildet ist, und von der zweiten Reflektoreinrichtung bis zum Wellenempfänger benötigt, Ermitteln einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit anhand der beiden Laufzeiten und Ermitteln der Position des Kolbens anhand wenigstens einer Laufzeit unter Einbeziehung der ermittelten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem vierten Erfindungsaspekt mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 12 gelöst. Dieses Verfahren umfasst die Schritte: Einkoppeln einer Welle an einem Lagerbereich einer Kolbenstange, Ermitteln einer ersten Laufzeit, die die Welle ausgehend vom Lagerbereich bis zu einem ersten Endbereich der Kolbenstange benötigt, an dem ein Wellenempfänger angeordnet ist, Ermitteln einer zweiten Laufzeit, die die Welle ausgehend vom Lagerbereich bis zu einer Reflektoreinrichtung, die an einem zweiten Endbereich der Kolbenstange ausgebildet ist, und von der Reflektoreinrichtung bis zum Wellenempfänger benötigt, Ermitteln einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit anhand der beiden Laufzeiten und Ermitteln der Position anhand wenigstens einer Laufzeit unter Einbeziehung der ermittelten Wellenausbreitungsgeschwindigkeit. Dieses Verfahren weist die gleichen Vorteile wie das vorstehend beschriebene Verfahren auf, zudem ist bei dieser Vorgehensweise die Energieversorgung des Wellengenerators einfach durchzuführen, da der Wellengenerator ortsfest am Lagerbereich des Zylindergehäuses angeordnet ist. Die vom Wellenempfänger empfangenen Signale können wahlweise kontaktlos bzw. drahtlos an eine Verarbeitungseinrichtung bereitgestellt werden oder direkt im Wellenempfänger verarbeitet werden, wobei das Verarbeitungsergebnis ebenfalls kontaktlos bzw. drahtlos an eine Empfangsstation übertragen wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine erste Ausführungsform eines Fluidzylinders mit einer Sensoreinrichtung zur Bestimmung einer relativen Position eines Kolbens gegenüber einem Zylindergehäuse, wobei einer Kolbenstange ein Wellengenerator zugeordnet ist, welcher von einem Feldwandler gespeist wird, der seinerseits von einem Felderzeuger versorgt wird, der an einem Lagerdeckel angeordnet ist, der von einer Kolbenstange durchsetzt ist,
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2 eine alternative Ausführungsform eines Fluidzylinders, bei dem der Wellengenerator an einem von der Kolbenstange durchsetzten Lagerdeckel angeordnet ist und der Wellenempfänger der Kolbenanordnung zugeordnet ist, und
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3 eine Variante des Fluidzylinders gemäß der 2, bei dem der Wellengenerator und der Wellenempfänger der Kolbenanordnung zugeordnet sind und Reflektoreinrichtungen am Lagerdeckel und am freien Endbereich der Kolbenstange angeordnet sind.
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Bei der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet und eine in Bezug auf die erste Ausführungsform bereits erfolgte Erläuterung solcher Komponenten nicht bei den weiteren Ausführungsformen wiederholt.
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Der in 1 dargestellte Fluidzylinder 1 ist zur Bereitstellung einer Linearbewegung längs eines Bewegungswegs 2 ausgebildet, wobei sich der Bewegungsweg 2 entlang einer Zylinderachse 3 geradlinig erstreckt. Für die Bereitstellung der Linearbewegung umfasst der Fluidzylinder 1 ein Zylindergehäuse 4, das rein exemplarisch quaderförmig ausgebildet ist und das ein Profilteil 5, einen vorderen, plattenförmigen Lagerdeckel 6 sowie einen hinteren, plattenförmigen Abschlussdeckel 7 umfasst. Beispielhaft ist das Profilteil 5 als Aluminium-Strangpressteil ausgebildet und weist längs der Zylinderachse 3 in zueinander parallelen, quer zur Zylinderachse 3 ausgerichteten und nicht dargestellten Querschnittsebenen jeweils einen konstanten Querschnitt auf. Der vordere Lagerdeckel 6 ist in nicht näher dargestellter Weise am Profilteil 5 befestigt und weist eine Ausnehmung 8 auf, in der ein Lagermittel 9 sowie ein Dichtmittel 10 aufgenommen sind. Exemplarisch handelt es sich bei dem Lagermittel 9 um ein Gleitlager, beispielsweise um einen Kunststoffring, während das Dichtmittel 10 als Lippendichtring ausgebildet ist. Das Lagermittel 9 und das Dichtmittel 10 werden von einer Kolbenstange 11 durchsetzt, die sich längs der Zylinderachse 3 erstreckt. Rein exemplarisch wird davon ausgegangen, dass die Kolbenstange 11 in einem zentralen Bereich einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und jeweils endseitig an einem ersten Endbereich 12 sowie an einem zweiten Endbereich 15 mit mechanischen Schnittstellen 16, 17 versehen ist. Dabei ist die mechanische Schnittstelle 16 des ersten Endbereichs 12 zur Aufnahme eines Kolbens 18 vorgesehen, während die mechanische Schnittstelle 17 des zweiten Endbereichs 15 für eine Ankopplung an ein nicht dargestelltes Maschinenelement, das mit Hilfe des Fluidzylinders bewegt werden soll, ausgebildet ist. Der Kolben 18 ist mit einer Schraubverbindung in nicht näher dargestellter Weise an der Kolbenstange 11 festgelegt und weist in einer quer zur Zylinderachse 3 ausgerichteten, nicht dargestellten Querschnittsebene einen Außenquerschnitt auf, der an einen Innenquerschnitt des mit einer Zylinderbohrung 19 versehenen Zylindergehäuses 4 angepasst ist.
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Dabei ist vorgesehen, dass an einem Außenumfang des Kolbens 18 ein Dichtmittel 20, insbesondere in Form eines zirkular umlaufenden Lippendichtrings, ausgebildet ist. Dieses Dichtmittel 20 ist zur Überbrückung eines fertigungstechnisch sinnvollen Radialspalts zwischen dem Kolben 18 und der Zylinderbohrung 19 vorgesehen und gewährleistet eine Abdichtung zwischen Kolben 18 und Zylinderbohrung sowie eine Linearbeweglichkeit des Kolbens 18 längs des Zylindergehäuses 4. Der Kolben 18 bildet zusammen mit dem Zylindergehäuse 4 rein exemplarisch zwei druckbeaufschlagbare Arbeitsräume 21, 22 aus, die in Abhängigkeit von der Position des Kolbens 18 längs der Zylinderachse 3 jeweils größenvariabel sind. Eine Bewegung des Kolbens 18 und der damit gekoppelten Kolbenstange 11 längs des Bewegungswegs 2 wird durch Druckdifferenzen in den beiden Arbeitsräumen 21, 22 hervorgerufen.
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Um eine Bestimmung der Position des Kolbens 18 längs des Bewegungswegs 3 zu ermöglichen, ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die einen Wellengenerator 26, einen Wellenempfänger 27, eine Verarbeitungseinrichtung 28, eine Sende-Antenne 29 sowie eine Empfangs-Antenne 30 umfasst.
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Der exemplarisch als Piezo-Schallwandler ausgebildete Wellengenerator 26 ist dem ersten Endbereich 12 der Kolbenstange 11 zugeordnet und dort im Nutgrund 31 einer in den Endbereich 12 eingearbeiteten Nut 32 angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass eine vom Wellengenerator 26 in die Kolbenstange 11 eingekoppelte mechanische Welle sich ausgehend vom Wellengenerator 26 längs der Zylinderachse 3 möglichst ungestört in Richtung des zweiten Endbereichs 15 ausbreiten kann und nicht bereits im Umfeld des Wellengenerators 26 unerwünschte Reflektionen der Welle erfolgen, die zu einer Beeinträchtigung des nachstehend näher diskutierten Messergebnisses führen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Nutgrund 31 in Richtung des zweiten Endbereichs 15 die letzte Struktur an der Kolbenstange 11 ist, die möglicherweise als Reflektor für die eingekoppelte mechanische Welle dienen kann.
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Der Wellenempfänger 27 ist am vorderen Lagerdeckel 6 angeordnet und exemplarisch als Piezo-Schallwandler ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Wellenempfänger 27 über einen Schleifring, beispielsweise einen exakt auf den Außendurchmesser der Kolbenstange 11 angepassten Metallring möglichst dämpfungsarm an die Kolbenstange 11 angekoppelt ist und dennoch eine Relativbewegung der Kolbenstange gegenüber dem Wellenempfänger 27 möglich bleibt. Ein vom Wellenempfänger aus empfangenen Wellen erzeugtes elektrisches Signal wird über eine Signalleitung 33 an die Verarbeitungseinrichtung 28 bereitgestellt, die beispielsweise einen Mikroprozessor, insbesondere einen digitalen Signalprozessor (DSP), aufweist, der für die Verarbeitung der Signale des Wellenempfängers 27 ausgebildet.
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Darüber hinaus ist der Verarbeitungseinrichtung 28 ein nicht näher dargestellter Felderzeuger zugeordnet, der beispielsweise als Mikrowellengenerator ausgebildet sein kann und der zur Bereitstellung eines Energiefelds zumindest in den Arbeitsraum 22 vorgesehen ist. Dabei wird das Energiefeld über eine geeignete Sendeleitung 34 an die Sende-Antenne 29 bereitgestellt, die für die Aussendung von Mikrowellen ausgebildet ist.
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Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Felderzeuger als elektrische Energiequelle und die Abstrahleinrichtung als Laserlichtquelle oder der Felderzeuger als Frequenzgenerator und die Abstrahleinrichtung als Lautsprecher oder der Felderzeuger als Funksender und die Abstrahleinrichtung als Funkantenne ausgebildet sein.
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Das zumindest in den Arbeitsraum 22 bereitgestellte Energiefeld wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von einer am Kolben 18 angeordneten Empfangsantenne 30 empfangen und durch nicht näher dargestellte Wandlermittel in elektrische Energie umgewandelt, die dem Wellengenerator 26 zu Verfügung gestellt wird, um die gewünschte Einkopplung von mechanischen Wellen in die Kolbenstange 11 zu ermöglichen. Bei einer Verwendung von Mikrowellen als Energiefeld wird eine kontaktlose bzw. drahtlose Energieübertragung zwischen der Sendeantenne 29 und der Empfangsantenne 30 ermöglicht, wobei durch geeignete Amplitudenmodulation des Mikrowellensignals in der nicht dargestellten, dem Wellengenerator 26 zugeordneten Wandlereinrichtung eine Auskopplung des auf das Mikrowellensignal aufmodulierten Signals für den Wellengenerator 26 erfolgen kann, bei dem es sich insbesondere um ein Ultraschallsignal handelt.
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Jedenfalls führt die Bereitstellung eines Energiefelds im Arbeitsraum 22 zu einer Anregung des Wellengenerators 26 und einer daraus resultierenden Einkopplung von mechanischen Wellen in die Kolbenstange 11. Diese mechanischen Wellen durchlaufen die Kolbenstange 11 ausgehend vom Wellengenerator 26 in Richtung des zweiten Endbereichs 15 und passieren hierbei nach zurücklegen einer ersten Strecke 36 den Wellenempfänger 27. Somit kann anhand der nicht reflektierten, unmittelbar vom Wellengenerator 26 an den Wellenempfänger 27 bereitgestellten Welle eine erste Laufzeit für die Welle zwischen Wellengenerator 26 und Wellenempfänger 27 längs der ersten Strecke 36, die dem Abstand zwischen Wellengenerator 26 und Wellenempfänger 27 entspricht, ermittelt werden kann.
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Darüber hinaus verläuft ein Teil der Welle entlang eines ersten Teilabschnitts 40 einer zweiten Strecke weiter zum zweiten Endbereich 15 der Kolbenstange und wird dort zumindest überwiegend an normal zur Zylinderachse 3 ausgerichteten Stirnflächen reflektiert. Um eine eindeutige Ermittlung einer Laufzeit für die am zweiten Endbereich 15 reflektierte Welle zu ermöglichen ist am zweiten Endbereich 15 eine Reflektoreinrichtung 37 ausgebildet, die den überwiegenden Teil der eintreffenden Welle in definierter Weise reflektieren kann. Bei der Reflektoreinrichtung 37 handelt es sich um eine zurückversetzt zur mechanischen Schnittstelle 17 angeordnete Planfläche, bei der es sich exemplarisch um einen Nutgrund 38 einer in den zweiten Endbereich 15 eingebrachten Nut 39 handeln kann. Die dort reflektierte mechanische Welle verläuft dann längs eines zweiten Teilabschnitts 41 der zweiten Strecke entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zurück in Richtung des ersten Endbereichs 12 und kann bei Passieren des Wellenempfängers 27 von diesem detektiert werden. Somit kann eine zweite Laufzeit für die zweite Strecke 40 ermittelt werden, die den Abstand zwischen dem Wellengenerator 26 und der Reflektoreinrichtung 37 (erster Teilabschnitt 41 der zweiten Strecke) sowie den Abstand zwischen der Reflektoreinrichtung 37 und den Wellenempfänger 27 (zweiter Teilabschnitt 41 der zweiten Strecke) umfasst. Anschließend kann in der Verarbeitungseinrichtung 28 zunächst eine Ermittlung einer Ausbreitungsgeschwindigkeit für die Welle in der Kolbenstange 11 ermittelt werden, was anhand der Kenntnis über den Abstand zwischen Wellengenerator 26, Wellenempfänger 27 und Reflektoreinrichtung 37 erfolgt. Gegebenenfalls umfasst der Wellenempfänger 27 einen Temperatursensor, um eine temperaturbedingte Längenänderung der Kolbenstange 11 durch Berücksichtigung der Kolbenstangentemperatur kompensieren zu können. Alternativ können die Sende- und Empfangsantennen, wie in der 2 gezeigt, im Arbeitsraum 21 angeordnet werden.
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Bei der in 2 dargestellten alternativen Ausführungsform eines Fluidzylinders ist eine abweichende Anordnung für den Wellengenerator 26 und den Wellenempfänger 27 vorgesehen. Der Wellengenerator 26 ist bei dieser Ausführungsform dem vorderen Lagerdeckel 6 zugeordnet und dient zur radialen Einkopplung der mechanischen Welle auf die Kolbenstange 11. Der Wellenempfänger 27 ist im Nutgrund 31 der Nut 32 des ersten Endbereichs 12 der Kolbenstange 11 angeordnet und kann somit eine unmittelbar vom Wellengenerator 26 ausgehende mechanische Welle, die längs der Kolbenstange 11 den Abstand gemäß der ersten Strecke 57 zwischen Wellengenerator 26 und Wellenempfänger 27 durchläuft, empfangen. Ferner kann der Wellenempfänger 27 eine ausgehend vom Wellengenerator 26 in Richtung des zweiten Endbereichs 15 längs des ersten Teilabschnitts 58 der zweiten Strecke verlaufende und dort an der Reflektoreinrichtung 37 reflektierte Welle empfangen, die ausgehend von der Reflektoreinrichtung 37 längs des zweiten Teilabschnitts 59 der zweiten Strecke die Kolbenstange 11 vollständig durchläuft. Durch die beiden ermittelten Laufzeiten kann in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform der 1 zunächst eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der Kolbenstange 11 ermittelt werden, um in einem nachfolgenden Schritt dann auf die Position der Kolbenstange 11 relativ zum Zylindergehäuse 4 schließen zu können.
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Abweichend von der Ausführungsform der 1 ist beim Fluidzylinder 51 eine Verarbeitungseinrichtung 52 vorgesehen, die einerseits einen nicht näher dargestellten Ansteuerschaltkreis für eine unmittelbare Ansteuerung des Wellengenerators 26 über eine Generatorleitung 53 ermöglicht. Anderseits umfasst die Verarbeitungseinrichtung 52 einen ebenfalls nicht dargestellten Mikrowellengenerator, der über eine Sende-Empfangsleitung 54 mit einer Sende-Empfangsantenne 55 verbunden ist. Dabei bildet der Mikrowellengenerator einen Felderzeuger, der über die Sende-Empfangsantenne 55 ein Energiefeld in den Arbeitsraum 21 einkoppelt. Dieses Energiefeld wird von einer dem Wellenempfänger 27 zugeordneten Sende-Empfangsantenne 56 empfangen und kann mit Hilfe einer nicht dargestellten Wandleranordnung in elektrische Versorgungsenergie für den Wellenempfänger 27 umgewandelt werden. Ferner ist vorgesehen, dass ein vom Wellenempfänger 27 in Abhängigkeit von eintreffenden Wellen abhängiges Detektionssignal über die Sende-Empfangsantenne 56 wieder zur Sende-Empfangsantenne 55 abgestrahlt wird, die das veränderte Signal auskoppeln kann und über die Sende-Empfangsleitung 54 an die Verarbeitungseinrichtung 52 bereitstellen kann. Auf diesem Weg ist eine zumindest abschnittsweise kontaktlose bzw. drahtlose Datenübertragung zwischen dem Wellenempfänger 27 und der Verarbeitungseinrichtung 52 möglich. Alternativ können die Sende- und Empfangsantennen, wie in der 1 gezeigt, im Arbeitsraum 22 angeordnet werden.
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Bei dem in der 3 dargestellten Fluidzylinder 101 handelt es sich um eine Variante des Fluidzylinders 51 gemäß der 2. Bei dieser Variante sind der Wellengenerator und der Wellenempfänger gemeinsam in einer Generatorempfängereinheit 102 angeordnet, die ihrerseits am ersten Endbereich 12 der Kolbenstange 11 angebracht ist. Ferner ist am vorderen Lagerdeckel 6 in ortsfester Weise eine exemplarisch ringförmig ausgebildete Reflektoreinrichtung 103 angeordnet, die mit einer vorgebbaren Flächenpressung an der Kolbenstange 11 anliegt und eine definierte Wellenreflektion zumindest für einen Teil der Wellen, die von der Generatorempfängereinheit 102 bereitgestellt werden, bewirken kann. Die Generatorempfängereinheit 102 ist in gleicher Weise wie der Wellenempfänger 27 gemäß der 2 mittels einer kontaktlosen Energieund Datenübertragung bzw. drahtlosen Signalübertragung zwischen den beiden Antennen 55, 56 und über die Sende-Empfangsleitung 54 mit der Verarbeitungseinrichtung 52 verbunden.
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Dadurch kann ein Trägersignal, z.B. ein Mikrowellensignal, von der Verabeitungseinrichtung 52 an die Generatorempfängereinheit 102 übertragen werden. Damit in die Kolbenstange 11 eine pulsförmig eingehüllte Ultraschallwelle eingespeist werden kann, wird von der Verarbeitungseinheit 52 auf das Trägersignal dieses pulsförmig eingehüllte Signal für kurze Zeit aufmoduliert, z.B. als Amplitudenmodulation. Nachdem die Ultraschallwelle in die Kolbenstange 11 abgesetzt wurde, schaltet die Verarbeitungseinrichtung 52 die Modulation des Trägersignals wieder ab, so dass nur noch ein unmoduliertes Trägersignal von der Verarbeitungseinrichtung 52 zu der Generatorempfängereinheit 102 übertragen wird.
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Für das Erzeugen der pulsförmig eingehüllten Ultraschallwelle wird in der Generatorempfängereinheit 102 das empfangene Trägersignal demoduliert z.B. durch einen Diodengleichrichter, in eine Ultraschallwelle umgewandelt und schließlich in die Kolbenstange 11 eingekoppelt. Diese Welle breitet sich in Richtung des zweiten Endbereichs 15 aus. Bei Erreichen der Reflektoreinrichtung 103, die auch als erste Reflektoreinrichtung bezeichnet werden kann, wird ein Teil der Welle wieder in Richtung der Generatorempfängereinheit 102 zurückreflektiert. Diese erste reflektierte Teilwelle wird in der Generatorempfängereinheit 102 dazu genutzt, das über die Antenne 56 empfangene unmodulierte Trägersignal zu modulieren. Daraus entsteht ein moduliertes Trägersignal, welches dann über die Antenne 56 in ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld gewandelt wird, den Arbeitsraum 21 durchläuft, von der Antenne 55 in ein nicht näher beschriebenes Signal zurück gewandelt wird und über die Leitung 54 zu der Verarbeitungseinheit 52 geleitet wird, und dort zur Ermittlung einer ersten Laufzeit für die erste Strecke 104 führt.
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Ein weiterer Teil der Welle wird erst an der Reflektoreinrichtung 37 reflektiert, die auch als zweite Reflektoreinrichtung bezeichnet werden kann, verläuft entlang der zweiten strecke 105 zurück bis zur Generatorempfängereinheit 102, wo sie ebenfalls auf den Träger aufmoduliert wird. Von dort wird der modulierte Träger über die Antenne 56, den Arbeitsraum 21, die Antenne 55 und der Leitung 54 der Verarbeitungseinheit 52 bereitgestellt, wo dann die zweite Laufzeit ermittelt wird und anschließend aus den beiden Laufzeiten die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit und die Position des Kolbens 18 vorgenommen werden kann.
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Eine alternative Variante besteht darin, dass die Laufzeitbestimmung direkt innerhalb der Generatorempfängereinheit 102 erfolgt. Hierzu ist die Generatorempfängereinheit 102 in gleicher Weise wie der Wellenempfänger 27 gemäß 2 mittels einer drahtlosen Energie- und Datenübertragung zwischen den beiden Antennen 55, 56 und über die Sende-Empfangsleitung 54 mit der Verarbeitungseinrichtung 52 verbunden.
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Dadurch kann Versorgungsenergie von der Verarbeitungseinrichtung 52 an die Generatorempfängereinheit 102 bereitgestellt werden. Ferner können die von der Generatorempfängereinheit 102 ermittelten Laufzeiten an die Verarbeitungseinrichtung 52 bereitgestellt werden. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Generatorempfängereinheit 102 bei Eintreffen von geeigneten Versorgungsenergiesignalen von der Verarbeitungseinrichtung 52 eine Welle in die Kolbenstange 11 einkoppelt, die sich in Richtung des zweiten Endbereichs 15 ausbreitet. Bei Erreichen der Reflektoreinrichtung 103, die auch als erste Reflektoreinrichtung bezeichnet werden kann, wird ein Teil der Welle wieder in Richtung der Generatorempfängereinheit 102 zurückreflektiert und führt dort zur Ermittlung einer ersten Laufzeit für die erste Strecke 104. Ein weiterer Teil der Welle wird erst an der Reflektoreinrichtung 37, die auch als zweite Reflektoreinrichtung bezeichnet werden kann, reflektiert und verläuft entlang der zweiten Strecke 105 zurück bis zur Generatorempfängereinheit 102, wo die zweite Laufzeit ermittelt werden kann. Beide Laufzeiten werden anschließend kontaktlos bzw. drahtlos über die Antennen 55, 56 und über die Sende-Empfangsleitung 54 an die Verarbeitungseinrichtung 52 bereitgestellt, wo dann die Ermittlung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit anhand der beiden Laufzeiten und die Ermittlung der Position des Kolbens 18 vorgenommen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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