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Die Erfindung betrifft ein fluidtechnisches Antriebssystem zur Bereitstellung einer linearen Antriebsbewegung, mit einem Arbeitszylinder, der einen linearbeweglich in einer Ausnehmung eines Zylindergehäuses aufgenommene Kolbenanordnung umfasst, sowie mit einem Positionssensor, der am Zylindergehäuse angeordnet ist und der zur Erfassung eines Abstandes zu einem an der Kolbenanordnung ausgebildeten Wechselwirkungsbereich ausgebildet ist, um eine Bewegung der Kolbenanordnung in einer Bewegungsrichtung zu erfassen.
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Aus der
DE 36 36 871 A1 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit mit Stellungsgeber der vorgenannten Art bekannt, die einen in einem Zylinder beweglich gelagerten Kolben mit Kolbenstange aufweist, wobei zur Erfassung der Position des Kolbens ein induktiver Näherungsschalter am Zylindergehäuse angebracht und eine Einschnürung an der Kolbenstange ausgebildet ist. Der Näherungsschalter weist Felderzeugungs- und Felderfassungsmittel auf, die mit der Oberfläche der Kolbenstange im Erfassungsbereich des Näherungsschalters zusammenwirken. Die an der Kolbenstange ausgebildete Einschnürung verursacht eine Änderung des von den Felderzeugungsmitteln bereitgestellten Feldes, die durch die Felderfassungsmittel des Näherungsschalters erfassbar ist. Der Stellungsgeber ist zur Ausgabe eines Schaltsignals ausgebildet, wenn sich die Einschnürung im vom Näherungsschalter erfassbaren Bereich befindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein fluidtechnisches Antriebssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem unter Beibehaltung des Positionssensors eine zumindest bereichsweise kontinuierliche Positionserfassung für eine Kolbenanordnung ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird für ein fluidtechnisches Antriebssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Wechselwirkungsbereich mehrere längs der Bewegungsrichtung aneinandergereihte und dem Positionssensor zugewandte Oberflächenabschnitte aufweist, deren Abstand zum Positionssensor in der Bewegungsrichtung zunimmt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wechselwirkungsbereichs erfolgt eine Aufspreizung eines Erfassungsbereichs eines Positionssensors längs der Bewegungsrichtung, um dadurch nicht nur eine einzige Schaltposition, sondern eine Vielzahl von unterscheidbaren Positionswerten bereitstellen zu können. Vorzugsweise sind der Wechselwirkungsbereich und der Positionssensor derart aufeinander abgestimmt, dass zumindest über einen Teilbereich eines Bewegungswegs längs der Bewegungsrichtung der Kolbenanordnung ein proportionaler Zusammenhang zwischen einer Position der Kolbenanordnung längs des Bewegungswegs und einem vom Positionssensor erfassbaren Abstand des jeweils erfassten Teilbereichs des Wechselwirkungsbereichs vorliegt. Der Wechselwirkungsbereich verfügt hierzu über eine Vielzahl von aneinandergereihten, insbesondere infinitesimal kleinen, Oberflächenabschnitten, die dem am Zylindergehäuse des Arbeitszylinders angeordneten Positionssensor zugewandt sind und deren Abstand gegenüber dem Positionssensor längs der Bewegungsrichtung unterschiedlich ist. Da der Positionssensor dazu ausgebildet ist, den Abstand zwischen einem Oberflächenabschnitt oder einer Gruppe von Oberflächenabschnitten des Wechselwirkungsbereichs der Kolbenanordnung zu erfassen, wird die gewünschte Positionserfassung längs des Bewegungswegs durch die mit unterschiedlichen Abstand zum Positionssensor angeordneten Oberflächenabschnitte ermöglicht. Dabei ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen einem einzelnen Oberflächenabschnitt und dem Positionssensor in der Bewegungsrichtung der Kolbenanordnung längs einer imaginären Hauptachse zunimmt. Der Wechselwirkungsbereich weist somit bezogen auf die Bewegungsrichtung je nach Betrachtungsrichtung ein Gefälle beziehungsweise eine Steigung auf.
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Vorzugsweise kann mit Hilfe eines vom Positionssensor erzeugten Feldes die Wandung des Zylindergehäuses durchdrungen werden, um bei einer Bewegung der Kolbenanordnung längs des Bewegungswegs die hierbei auftretende Änderung des Abstandes zwischen des vom Positionssensor abgetasteten Oberflächenabschnitts bzw. der Gruppe der vom Positionssensor abgetasteten Oberflächenabschnitte und dem Positionssensor zu ermitteln. Aus der Änderung des Abstandes kann die Änderung der Position der Kolbenanordnung in der vorzugsweise längs zur Ausnehmung und parallel zu der Hauptachse orientierten Bewegungsrichtung erfasst werden.
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Hierdurch kann die Position der Kolbenanordnung zumindest über einen Teilbereich des Bewegungswegs kontinuierlich erfasst werden, wobei mit jeder Positionsänderung der Kolbenanordnung eine Änderung des Abstandes zwischen einem Oberflächenabschnitt des Wechselwirkungsbereichs und dem Positionssensor einhergeht. Vorzugsweise stellt der Positionssensor ein vom Abstand gegenüber dem Oberflächenbereich abhängiges elektrisches Signal bereit, dass als Positionssignal genutzt werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kolbenanordnung ein Felderzeugungsmittel und der Positionssensor ein Felderfassungsmittel auf. Das Felderzeugungsmittel ist vorzugsweise als Permanentmagnetanordnung und/oder als nichtpermanentmagnetische Elektromagneteinrichtung und/oder als Spannungsquelle für eine kapazitive Abtastung und/oder als Induktionsquelle für eine induktive Abtastung und/oder als Strahlungsquelle für eine elektromagnetische Abtastung, insbesondere als Laserquelle ausgebildet. Grundsätzlich ist ein Felderzeugungsmittel jedes Mittel, das ein Feld aussendet, welches mit seiner Umgebung wechselwirken kann. Die Felderfassungsmittel sind jeweils auf die Felderzeugungsmittel abgestimmt und können das vom Felderzeugungsmittel bereitgestellte Feld in einem begrenzten Erfassungsbereich erfassen. In Abhängigkeit vom gewählten Felderzeugungsmittel wird als Felderfassungsmittel vorzugsweise ein magnetfeldempfindlicher Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor oder magnetoresisitiver Sensor, und/oder eine Kondensatoreinrichtung für eine kapazitive Abtastung und/oder eine Sensorspule für eine induktive Abtastung und/oder ein optischer Sensor für eine optische Abtastung eingesetzt. Die Felderfassungsmittel stellen vorzugsweise ein elektrisches Ausgangssignal bereit, dass im Folgenden als Positionssignal bezeichnet wird. Beispielsweise ist das Felderzeugungsmittel als Permanentmagnet an einem Kolben der vorzugsweise einen Kolben und eine Kolbenstange umfassenden Kolbenanordnung angebracht, so dass das vom Felderzeugungsmittel erzeugte Feld mit der Kolbenanordnung hin und her bewegbar ist. Das Felderfassungsmittel ist in diesem Fall ein magnetfeldempfindlicher Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver Sensor, insbesondere ein GMR-Sensor. Die Felderfassungsmittel sind jedenfalls Bestandteil des am Zylindergehäuse angeordneten Positionssensors. Sobald sich der Permanentmagnet im Erfassungsbereich des Felderfassungsmittels befindet, kann das vom Felderzeugungsmittel ausgegebene Feld vom Felderfassungsmittel messtechnisch erfasst und als Positionssignal bereitgestellt werden.
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Beispielhaft ist vorgesehen, dass das Felderzeugungsmittel rotationssymmetrisch zu einer mit der Hauptachse zusammenfallenden Rotationsachse der Kolbenanordnung ist. Das von dem Felderzeugungsmittel ausgesendete Feld ist in diesem Fall zumindest weitestgehend rotationssymmetrisch, so dass die Kolbenanordnung keine Verdrehsicherung benötigt und gegebenenfalls auch eine Positionserfassung durch mehrere Positionssensoren vorgesehen werden kann. Beispielhaft ist der Kolben der Kolbenanordnung als Felderzeugungsmittel ausgebildet.
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Alternativ kann das Felderzeugungsmittel als separates Bauteil an der Mantelfläche des Kolbens der Kolbenanordnung angeordnet sein, beispielsweise als ein stabförmiger Magnetkörper oder als ein den Kolben hutartig einhüllender Magnetkörper.
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Durch die Erfindung ist es somit möglich, den Erfassungsbereich des Felderzeugungsmittels und/oder des Felderfassungsmittels in einem deutlich weiteren Ausmaß zu nutzen, als dies beim Stand der Technik der Fall ist. Die Steigung des Wechselwirkungsbereichs, die sich aus der Anordnung der Oberflächenabschnitte gegenüber der Bewegungsachse ermitteln lässt, kann vorzugsweise derart auf den Erfassungsbereich der Felderzeugungsmittel und/oder Felderfassungsmittel angepasst werden, dass der Wechselwirkungsbereich der Kolbenanordnung bei einer axialen Verschiebung der Kolbenanordnung stets innerhalb des Erfassungsbereichs des Positionssensors liegt. Somit ist eine Positionserfassung längs des gesamten Bewegungswegs möglich. Alternativ sind der Wechselwirkungsbereich und der Erfassungsbereich derart aufeinander abgestimmt, dass eine Positionserfassung nur entlang eines Teilbereichs des Bewegungswegs, beispielsweise in einer Endlage der Kolbenanordnung, ermöglicht wird.
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Zweckmäßig ist es, dass dem Positionssensor ein Felderfassungsmittel und ein Felderzeugungsmittel zugeordnet sind und dass der Wechselwirkungsbereich zur Reflexion und/oder Störung eines vom Felderzeugungsmittel bereitgestellten Feldes ausgebildet ist. Somit weist die Kolbenanordnung bei dieser Ausführungsform keine Felderzeugungsmittel auf und ist für eine Reflexion und/oder Störung des vom Felderzeugungsmittel bereitgestellten Feldes ausgebildet. Bei einer Reflexion wird das vom Positionssensor ausgegebene Feld des Felderzeugungsmittels entweder vollständig oder nur teilweise, insbesondere in abgeschwächter Form, vom Wechselwirkungsbereich zurückgeworfen, so dass das Feld an anderer Stelle von einem Felderfassungsmittel erfassbar ist. Die Messung des Abstandes zwischen Positionssensor und Wechselwirkungsbereich kann beispielsweise als eine Laufzeitmessung zwischen einem Sendezeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt des gesendeten Feldes und/oder durch Vergleich der Intensität des ausgesendeten Feldes und der Intensität des empfangenen Feldes erfolgen. Das ausgesendete Feld kann an dem Wechselwirkungsbereich auch gestört werden, wobei es beispielsweise eine Frequenzverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung erfährt, die von einem Felderfassungsmittel erfasst und ausgewertet werden können. Die Integration des Felderfassungsmittels und des Felderzeugungsmittels im Positionssensor ermöglicht eine kompakte Gestaltung der durch den Positionssensor und den Wechselwirkungsbereich gebildeten Positionserfassungseinrichtung.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Wechselwirkungsbereich der Kolbenanordnung längs der Hauptachse kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Der Wechselwirkungsbereich kann sich wahlweise nur längs eines Abschnitts der Außenoberfläche des Kolbens oder über die gesamte Mantelfläche des Kolbens erstrecken. Bei der konusartigen Gestaltung des Wechselwirkungsbereichs ändert sich ein Abstand der jeweiligen Oberflächenbereiche längs der Bewegungsachse stetig, nimmt also je nach Betrachtungsrichtung stetig zu oder ab. Diese Geometrie des Wechselwirkungsbereichs hat den Vorteil, dass die von den Felderzeugungsmitteln bereitgestellten Felder bei einer Bewegung des Kolbens längs der Hauptachse eine vorgebbare, insbesondere wegproportionale, Änderung erfahren, so dass der Abstand zwischen den Wechselwirkungsbereichen und den Felderfassungsmitteln ohne Sprünge im Positionssignal erfassbar ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abstände der Oberflächenabschnitte zum Positionssensor derart zunehmen, dass der Wechselwirkungsbereich der Kolbenanordnung einen bezogen zur Bewegungsrichtung schrägen Verlauf aufweist. Dieser schräge Verlauf des Wechselwirkungsbereichs hat den Vorteil, dass sich der Abstand zwischen den Oberflächenabschnitten der Wechselwirkungsbereiche und dem Positionssensor kontinuierlich und ohne Sprünge ändert. Vorzugsweise wird der gesamte Erfassungsbereich des Positionssensors ausgenutzt, wenn der bezogen auf die Bewegungsachse schräg ausgerichtete Wechselwirkungsbereich längs des Bewegungswegs stets innerhalb des Erfassungsbereiches liegt. Bei einer Bewegung der Kolbenanordnung und damit des Wechselwirkungsbereichs erfolgt eine kontinuierliche Abstandsänderung der Oberflächenabschnitte gegenüber dem Positionssensor, so dass das Positionssignal des Positionssensors sich vorzugsweise ebenfalls kontinuierlich, insbesondere proportional zur Verschiebung der Kolbenanordnung, ändert, wodurch das Erfassen des Abstandes zwischen den Oberflächenabschnitten und dem Positionssensor über die gesamte Länge des Wechselwirkungsbereichs beziehungsweise über die gesamte Länge der Kolbenanordnung möglich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass am Zylindergehäuse mindestens zwei in Bewegungsrichtung der Kolbenanordnung und/oder in einer Umfangsrichtung um die Bewegungsrichtung der Kolbenanordnung herum zueinander beabstandete Positionssensoren angeordnet sind, die mindestens einem Wechselwirkungsbereich zugewandt sind. Wenigstens zwei der Positionssensoren sind entlang der Bewegungsrichtung und/oder in einer Umfangsrichtung der Kolbenanordnung versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch kann ein größerer Messbereich verwirklicht werden, da sich die einzelnen Erfassungsbereiche der Positionssensoren längs der Hauptachsrichtung und/oder in der Umfangsrichtung vorzugsweise überlappen, so dass der Messbereich in dieser Richtung vergrößert ist. In jedem Fall sind die einzelnen Positionssensoren mindestens einem Wechselwirkungsbereich der Kolbenanordnung zugeordnet, so dass seine Position erfassbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das fluidtechnische Antriebssystem eine Kolbenanordnung auf, die über mindestens einen am Kolben der Kolbenanordnung ausgebildeten Wechselwirkungsbereich verfügt. Wenn der Kolben 2 oder mehr Wechselwirkungsbereiche aufweist, können vorzugsweise durch die Verwendung zweier Positionssensoren mindestens zwei verschiedene Positionssignale zur Verfügung stehen, die beispielsweise eine Fehlerkorrelationsrechnung erlauben. Die Anordnung der Wechselwirkungsbereiche am Kolben hat den Vorteil, dass der Abstand zwischen den Wechselwirkungsbereichen und den Positionssensoren insgesamt gering ist, so dass ein Wechselwirkungsbereich stets im Erfassungsbereich des Positionssensors liegen kann. Es ist auch denkbar, dass bei einer möglichen Verschmutzung oder Beschädigung eines Wechselwirkungsbereichs oder eines Positionssensors auf den jeweils anderen – funktionsfähigen – Wechselwirkungsbereich beziehungsweise einen Positionssensor ausgewichen wird, so dass eine Bestimmung der Position der Kolbenanordnung auch bei einer Verschmutzung oder Beschädigung möglich ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Abstände zwischen ersten Oberflächenabschnitten eines ersten Wechselwirkungsbereichs und einem ersten Positionssensor zumindest teilweise unterschiedlich zu Abständen zwischen zweiten Oberflächenabschnitten eines zweiten Wechselwirkungsbereichs und einem zweiten Positionssensor ausgestaltet sind. Jeder der Wechselwirkungsbereiche ist dabei von einer Vielzahl von Oberflächenabschnitten gebildet, die erfindungsgemäß unterschiedlich ausgestaltet sind. Beispielsweise sind die Oberflächenabschnitte des ersten Wechselwirkungsbereichs im Vergleich zu den Oberflächenabschnitten des zweiten Wechselwirkungsbereichs weniger schräg in Bezug zur Bewegungsrichtung beziehungsweise zur Hauptachse angeordnet. Auf diese Weise verfügt der erste Wechselwirkungsbereich über eine in Bezug auf die Bewegungsrichtung geringere Steigung als der zweite Wechselwirkungsbereich. Dies hat den Vorteil, dass die dem ersten Wechselwirkungsbereich zugewandten Positionssensoren und die dem zweiten Wechselwirkungsbereich zugewandten Positionssensoren unterschiedliche Abstände bei gleicher Position der Kolbenanordnung erfassen.
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Vorzugsweise sind am Zylindergehäuse mindestens zwei Positionssensoren und an der Kolbenanordnung zwei unterschiedlich gestaltete Wechselwirkungsbereiche angeordnet, wobei jedem Wechselwirkungsbereich mindestens einer der Positionssensoren zugeordnet ist. Es ist aber auch denkbar, dass mehrere Positionssensoren einem Wechselwirkungsbereich zugeordnet sind, beispielsweise sind insgesamt drei Positionssensoren nur einem Wechselwirkungsbereich zugeordnet. Vorzugsweise weisen die Wechselwirkungsbereiche einen unterschiedlichen Verlauf ihrer Oberflächenabschnitte auf, der zum Beispiel durch eine unterschiedliche Steigung längs zur Hauptachse zum Ausdruck kommt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberflächenabschnitte eines Wechselwirkungsbereichs der Kolbenanordnung mit der Innenwandung der Ausnehmung des Zylindergehäuses einen Zwischenraum begrenzen, wobei dem Zwischenraum zumindest teilweise ein Ausgleichskörper zugeordnet ist. Der Ausgleichskörper ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass er mit den von den Felderzeugungsmitteln ausgegebenen Feldern nicht zusammenwirkt, so dass der Abstand zwischen dem Positionssensor und den Oberflächenabschnitten unverändert beziehungsweise ungestört erfassbar ist. Beispielhaft füllt der Ausgleichskörper den Zwischenraum zwischen dem Wechselwirkungsbereich und der Innenwandung des Zylindergehäuses auf. Dies bietet beispielsweise den Vorteil, dass eine Verschmutzung der Wechselwirkungsbereiche verhindert wird. Es ist auch denkbar, dass der Ausgleichskörper als Dichtelement ausgebildet oder ein separat ausgebildetes Dichtelement umfasst, um eine Abdichtung einer vom Kolben begrenzten ersten Arbeitskammer zu ermöglichen.
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Anschließend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei in dieser zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen fluidtechnischen Antriebssystems mit Positionssensor in einer Seitenansicht, wobei das Zylindergehäuse des Arbeitszylinders und der am Zylindergehäuse angeordnete Positionssensor in einer Teilschnittansicht gezeigt sind,
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2 eine Variante des fluidtechnischen Antriebssystems aus 1 mit einem ein Felderzeugungsmittel tragenden Kolben der Kolbenanordnung,
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3 eine weitere Variante des fluidtechnischen Antriebssystems aus 1, wobei der Kolben der Kolbenanordnung eine zur Innenwandung der Ausnehmung des Zylindergehäuses gewölbte, konvexe Gestaltung des Wechselwirkungsbereichs aufweist,
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4 eine weitere Variante des fluidtechnischen Antriebssystems aus 1, wobei der Kolben der Kolbenanordnung eine von der Innenwandung der Ausnehmung des Zylindergehäuses weg gewölbte, konkave Gestaltung des Wechselwirkungsbereichs aufweist,
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5 eine weitere Variante des fluidtechnischen Antriebssystems in einer Teilschnittansicht gemäß der 1, mit einem kolbenstangenlosen Kolben der Kolbenanordnung, mit einem Ausgleichskörper und einer Darstellung von alternativen Anordnungen des Positionssensors am Zylindergehäuse,
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6 das fluidtechnische Antriebssystem aus 5, wobei an dem kolbenstangenlosen Kolben ein den Ausgleichskörper axial fixierender Ringkörper angeordnet ist, und
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7 das fluidtechnische Antriebssystem aus der 1 in einer Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie VII-VII, bei dem drei Positionssensoren am Zylindergehäuse des Arbeitszylinders angeordnet sind, denen jeweils ein am Kolben der Kolbenanordnung ausgebildeter Wechselwirkungsbereich zugewandt ist.
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In der nachstehenden Figurenbeschreibung werden für funktionsgleiche Komponenten jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. Sofern diese Komponenten im Detail unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, werden diese gesondert erläutert.
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Das zum Beispiel in der Automatisierungstechnik einsetzbare fluidtechnische Antriebssystem 1 ist zur Bereitstellung einer vorzugsweise linearen Antriebsbewegung entlang entgegengesetzter Bewegungsrichtungen 3 ausgebildet, wie dies in der 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet wird. Zu diesem Zweck verfügt das fluidtechnische Antriebssystem 1 über einen Arbeitszylinder 4, der in den 1 bis 6 rein exemplarisch als doppeltwirkender Pneumatikzylinder 5 ausgebildet ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist der Arbeitszylinder des fluidtechnischen Antriebssystems als ein einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet.
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Der Arbeitszylinder 4 verfügt zur Bereitstellung der Arbeitsbewegung über ein Zylindergehäuse 6 mit Gehäusewänden 10, die eine Ausnehmung 11 begrenzen, die sich in dem Zylindergehäuse 6 erstreckt. Die Ausnehmung 11 des Zylindergehäuses 6 hat eine Innenwandung 16 und dient zur linearbeweglichen Aufnahme einer Kolbenanordnung 14. Die Kolbenanordnung 14 verfügt über einen Kolben 12 und vorzugsweise über eine daran angeordnete Kolbenstange 13, um die Arbeitsbewegung außerhalb des Arbeitszylinders 4 bereitzustellen. Dabei begrenzt die Kolbenanordnung 14 zusammen mit den Gehäusewänden 10 eine erste größenvariable Arbeitskammer 15 und eine zweite größenvariable Arbeitskammer 20, die jeweils zum Zwecke der Bereitstellung der Arbeitsbewegung mit einem Druck eines Arbeitsfluids, insbesondere Druckluft, beaufschlagbar sind. Die Kolbenanordnung 14 kann durch die Druckbeaufschlagung wenigstens einer der Arbeitskammern 15, 20 zu der Arbeitsbewegung angetrieben werden. Bei den Varianten gemäß den 5 und 6 verfügt die Kolbenanordnung 14 über keine Kolbenstange 13.
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Ferner ist an der Gehäusewand 10 des Zylindergehäuses 6 mindestens ein Positionssensor 21 angeordnet, der zur Erfassung eines Abstandes zwischen einem am Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 ausgebildeten Wechselwirkungsbereich 22 und dem Positionssensor 21 ausgebildet ist.
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Mit Hilfe des zwischen dem Positionssensors 21 und dem Wechselwirkungsbereich 22 des Kolbens 12 ermittelten, von einer Position des Kolbens 12 längs seines Bewegungswegs in der Ausnehmung 11 abhängigen, Abstands kann ein Rückschluss auf eine Bewegung der Kolbenanordnung 14 entlang der durch den Doppelpfeil angedeuteten Bewegungsrichtungen 3 gezogen werden.
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Der Wechselwirkungsbereich 22 des Kolbens 12 umfasst eine Vielzahl von längs der Bewegungsrichtungen 3 aneinandergereihten, nicht einzeln dargestellten, beispielsweise infinitesimal großen, Oberflächenabschnitten 24. Diese sind dem auf der Gehäusewand 10 des Zylindergehäuses 6 angeordneten Positionssensor 21 in mindestens einer von der Kolbenanordnung 14 in der Ausnehmung 11 des Arbeitszylinders 4 einnehmbaren Kolbenstellung 26 der Arbeitsbewegung zugewandt.
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Der Abstand zwischen dem Positionssensor 21 und dem durch die Oberflächenabschnitte 24 gebildeten Wechselwirkungsbereich 22 nimmt aufgrund der Gestalt des Kolbens 12 in einer der Bewegungsrichtungen 3 zu, wobei der Abstand vorzugsweise in Achsrichtung einer orthogonal zur Hauptachse 41 ausgerichteten Nebenachse 25 ermittelt wird.
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In der 1 ist das fluidtechnische Antriebssystem 1 mit einem am Zylindergehäuse 6 angeordneten Positionssensor 21 ausgerüstet. Der Positionssensor 21 verfügt über ein Sensorgehäuse 35 und über eine Verbindungseinrichtung 40, insbesondere eine elektrische Signalleitung, durch die hindurch vorzugsweise elektrische Signale, die einen ermittelten Abstandswert repräsentieren, übertragen werden. Die an der Verbindungseinrichtung 40 zum Abgriff bereitgestellten elektrischen Signale werden insbesondere durch eine nicht dargestellte Mess- und/oder Visualisierungseinrichtung aufbereitet, so dass mithilfe des elektrischen Signals eine Ermittlung des Abstandes und dadurch eine Positionsbestimmung für die Kolbenanordnung 14 erfolgen können.
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Die nicht dargestellte Mess- und/oder Visualisierungseinrichtung verfügt vorzugsweise über ein Auswerte- und Anzeigesystem, das aus den über die Verbindungseinrichtung 40 bereitgestellten elektrischen Signalen eine Abstandsinformation ermittelt. Anhand dieser Abstandsinformation kann eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung der Kolbenanordnung 14 ermittelt und gegebenenfalls visuell darstellt werden.
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Der in der 1 illustrierte, rein exemplarisch kreiszylindrisch ausgebildete Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 verfügt über eine Mantelfläche 54, die den Kolben 12 zu den ihn umgebenden Arbeitsräumen 15, 20 abgrenzt. Dabei weist der Kolben 12 exemplarisch zwei Wechselwirkungsbereiche 22 auf, die jeweils als Planfläche ausgebildet sind. Dabei kann der Wechselwirkungsbereich 22 des Kolbens 12 als Gruppe von infinitesimal kleinen Oberflächenabschnitten 24, die jeweils mit einem vorgebbaren Abstand gegenüber dem Positionssensor 21 längs der Hauptachse 41 angeordnet sind, angesehen werden. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Oberflächenabschnitte 24 eines der beiden Wechselwirkungsbereiche 22 dem am Zylindergehäuse 6 angeordneten Positionssensor 21 zumindest längs eines Teilbereichs einer von der Kolbenanordnung 14 einnehmbaren Kolbenstellungen 26 zugewandt sind.
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Der in der 1 dargestellte Positionssensor 21 verfügt beispielhaft über ein Felderzeugungsmittel 31 und ein Felderfassungsmittel 32, die im Sensorgehäuse 35 des Positionssensors 21 gemeinsam angeordnet sind. Das Felderzeugungsmittel 31 ist zur Ausbildung eines Feldes 34 vorgesehen, das die Gehäusewand 10 des Arbeitszylinders 4 zumindest nahezu ungehindert durchdringen kann. Beispielsweise handelt es sich bei dem Werkstoff der Gehäusewand 10 um eine Aluminiumlegierung und bei dem Felderzeugungsmittel 31 um eine Permanentmagneteinrichtung 63 die einen Permanentmagneten, vorzugsweise einen Seltenerdemagnet wie einem Neodym-Eisen-Bor-Magnet, umfasst.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Felderzeugungsmittel 31 eine Elektromagneteinrichtung, insbesondere eine Magnetspule, die das Feld 34 in Abhängigkeit von einem elektrischen Spulenstrom bereitstellen kann.
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Das Felderfassungsmittel 32 ist dazu ausgebildet, um das von dem Wechselwirkungsbereich 22 zurückgeworfene Feld beziehungswiese Störfeld innerhalb eines Erfassungsbereichs 61 zu erfassen. Beispielswiese kann das Felderfassungsmittel 32 als Hall-Sensor ausgebildet sein, der zur Erfassung des vom Wechselwirkungsbereich 22 beeinflussten Magnetfelds des Felderzeugungsmittels 31 ausgebildet ist, um daraus eine Abstandsinformation zu ermitteln, mit der eine Position der Kolbenanordnung 14 längs der Hauptachse 41 ermittelt werden kann.
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In einer in der 2 gezeigten Ausführungsform ist ein Felderzeugungsmittel 31 direkt am Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 angeordnet. Das Felderzeugungsmittel 31 ist beispielsweise von einer Permanentmagnetanordnung 30 gebildet, die aus einer Vielzahl von einzelnen Permanentmagneten oder aus einem einstückigen Permanentmagnet aufgebaut sein kann. Die Permanentmagnetanordnung 30 kann insbesondere aus Seltenerdemagneten wie Neodym-Eisen-Bor-Magneten gebildet sein. Der an der Gehäusewand 10 des Zylindergehäuses 6 angeordnete Positionssensor 21 weist in dieser Ausführungsform ausschließlich ein Felderfassungsmittel 32 auf, das das von dem Felderzeugungsmittel 31 abgegebene Feld 34 erfassen kann. Die Wechselwirkungsbereiche 22 des Kolbens 12 weisen rein exemplarisch, verglichen mit der Ausführungsform gemäß der 1, eine geringere Steigung gegenüber der Hauptachse 41 auf, so dass sie sich über einen längeren Abschnitt der Mantelfläche 54 des Kolbens 12 erstrecken. Hierdurch wird auch eine Positionserfassung über einen längeren Abschnitt der Hauptachse 41 ermöglicht. Vorteilhaft ist es, dass sich die Wechselwirkungsbereiche 22 ausgehend von einer ersten Kolbenkante 44 hin zu einer zweiten Kolbenkante 45 ausdehnen, da hierdurch eine geringe Steigung der Wechselwirkungsbereiche 22 erreicht wird, so dass die Kolbenanordnung und der daran ausgebildete Wechselwirkungsbereich 22 besonders lange im Erfassungsbereich 61 des Positionssensors 21 bewegt werden können.
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In der 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der der Positionssensor 21 ein Felderzeugungsmittel 31 und ein Felderfassungsmittel 32 aufweist. Der Wechselwirkungsbereich 22 ist am Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 ausgebildet und weist in diesem Fall keine Felderzeugungsmittel 32 auf, sondern ist dazu ausgestaltet, um die vom Felderzeugungsmittel 31 erzeugten Felder 34 zum Beispiel durch Reflexion oder Brechung und/oder in anderer Weise zu stören. Entscheidend ist, dass das vom Felderzeugungsmittel 31 bereitgestellte Feld 34 in einer Weise vom Wechselwirkungsbereich 22 verändert wird, so dass das Felderfassungsmittel 32 zurückgeworfen wird. Das am Positionssensor 21 angeordnete Felderfassungsmittel 32 kann das am Wechselwirkungsbereich 22, insbesondere durch Reflexion beeinflusste Feld 34 erfassen und in ein, vorzugsweise elektrisches Signal, das den Abstand zwischen dem Positionssensor und dem Wechselwirkungsbereich 22 des Kolbens 12 wiederspiegelt, umsetzten. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Wechselwirkungsbereiche 22 des zylindrischen Kolbens 12 bogenförmig gestaltet sind, so dass der Kolben 12 eine konvexe, längs der Hauptachse 41 verlaufende Kolbenkontur 55a aufweist. Durch die konvexe Gestalt kann Einfluss auf die Intensität des zurückgeworfenen Feldes 34 ausgeübt werden, so dass beispielsweise nichtlineare, insbesondere bei der Reflexion oder Brechung des Feldes 34 auftretende, Messeinflüsse reduziert werden.
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Rein exemplarisch ist bei dem Pneumatikzylinder 5 gemäß der 3 an einer Oberseite eine längs des Zylindergehäuses 6 verlaufende Nut 28 mit einer T-förmigen Profilierung vorgesehen, in der der Positionssensor 21 frei verschiebbar aufgenommen werden kann. Um eine Festlegung des Positionssensors 21 längs der Nut 28 bewirken zu können, ist ein Befestigungselement 27 vorgesehen, mit dessen Hilfe der Positionssensor 21 an einer beliebigen Position längs der Nut 28 kraftschlüssig festgelegt werden kann.
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Die Ausführungsform der 4 stellt eine besondere Gestalt der am Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 ausgebildeten Wechselwirkungsbereiche 22 dar, die übrigen Bestandteile des fluidtechnischen Antriebsystems 1 sind dabei unverändert. Die Wechselwirkungsbereiche 22 verfügen über eine zwischen der ersten Kolbenkante 44 und der zweiten Kolbenkante 45 verlaufende Mantelfläche 54, die bezüglich der Hauptachse 41 von symmetrischer Gestalt ist und über eine konkave Kolbenkontur 55b verfügt. Durch die konkave Gestalt kann Einfluss auf die Intensität des zurückgeworfenen Feldes 34 ausgeübt werden, so dass vorzugsweise nichtlineare, insbesondere bei der Reflexion oder Brechung des Feldes 34 auftretende, Messeinflüsse reduzierbar sind.
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Am Zylindergehäuse 6 des Arbeitszylinders 4 können auch mehrere zueinander beabstandete Positionssensoren 21 angeordnet sein, die den Abstand zwischen den Oberflächenabschnitten 24 der Wechselwirkungsbereiche 22 und den Positionssensoren 21 erfassen. In den Ausführungsformen der 5 und 6 ist vorgesehen, dass die Positionssensoren 21 einen identischen Abstand zueinander aufweisen, wenngleich eine Anordnung der Positionssensoren 21 in unterschiedlichen Abständen zueinander auch denkbar ist. Die Positionssensoren 21 können nicht nur längs der Hauptachse 41 beabstandet zueinander angeordnet sein, sondern auch in einer Umfangsrichtung 64 um die Hauptachse 41 herum versetzt zueinander angebracht sein. Die in der Umfangsrichtung 64 angebrachten Positionssensoren 21 sind vorzugsweise rechtwinkelig zueinander ausgerichtet, wenngleich jede andere winklige Anordnung in der Umfangsrichtung 64 denkbar ist. Dabei ist jeder der Positionssensoren 21 einem Wechselwirkungsbereich 22 der Kolbenanordnung 14 vorzugsweise einem am Kolben 12 ausgebildeten Wechselwirkungsbereich 22 zugeordnet.
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Ferner sind in den 5 und 6 rein exemplarisch zwei Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, in denen die Kolbenanordnung 14 über keine Kolbenstange 13 verfügt.
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In der 5 ist ein Winkel α (alpha) eingezeichnet, der eine Steigung für die kegelstumpfförmige Geometrie des Wechselwirkungsbereichs 22 bezeichnet. Die Verschiebung Δs des Kolbens 12 gegenüber den Positionssensoren 21 kann durch die Beziehung Δs = Δh/tanα beschrieben werden, wobei Δh den vom jeweiligen Positionssensor 21 gemessenen Abstandsunterschied bezeichnet.
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Ferner ist beispielhaft und ohne eine Beschränkung auf kolbenstangenlose Kolbenanordnungen 14 ein Ausgleichskörper 50 vorgesehen, der den kolbenstangenlosen Kolben 12 zumindest teilweise oder in nicht dargestellter Weise vollständig umschließt. Der Ausgleichskörper 50 füllt dabei insbesondere einen zwischen den Oberflächenabschnitten 24 der Wechselwirkungsbereiche 22 und einer Innenwandung 51 der Ausnehmung 11 gebildeten Zwischenraum 52 aus. Hierbei kann der Ausgleichskörper 50 sowohl an der Mantelfläche 54 des Kolbens 12 als auch an der Innenwandung 51 der Ausnehmung 11 anliegen. Der Ausgleichskörper 50 ist an der Mantelfläche 54 des Kolbens 12 fixiert, so dass er die Arbeitsbewegung der Kolbenanordnung 14 mitmacht und gegenüber dem Kolben 12 nicht axial verrutscht.
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Um den Ausgleichskörper 50 gegen axiales Verrutschen zu sichern, ist an einem Ende des in der 6 gezeigten Kolbens 12 ein Ringkörper 53 angeordnet. Der Ringkörper 53 ist am Kolben 12 beispielsweise unlösbar oder durch Verschrauben lösbar befestigt und stützt den Ausgleichskörper 50 gegen axiales Herabrutschen von der Mantelfläche 54 des Kolbens 12 ab.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann der Ausgleichskörper 50 über Dichtelemente verfügen, die ein Abdichten der ersten Arbeitskammer 15 von der zweiten Arbeitskammer 20 ermöglichen.
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Weiterhin sind an der, in den 5 und 6 dargestellten, Gehäusewand 10 des Zylindergehäuses 6 des fluidtechnischen Antriebssystems 1 mehrere Positionssensoren 21 angeordnet, die den Abstand zwischen den Oberflächenabschnitten 24 der Wechselwirkungsbereiche 22 und den Positionssensoren 21 erfassen. Dabei ist der am Kolben 12 angeordnete Ausgleichskörper 50 so gestaltet, dass er die von den Felderzeugungsmitteln 31 ausgestrahlten Felder 34 der Positionssensoren 21 nicht beeinträchtigt. Vorzugsweise ist er zu diesem Zweck aus einem Material hergestellt, das auf die Felder 34 keinen Einfluss ausübt, beispielsweise ist dies mit einem Kunststoffmaterial möglich. Das Erfassen des Abstandes ist somit ohne eine Beeinträchtigung des Erfassungsbereichs 61 der Positionssensoren 21 möglich.
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Der Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 in den 5 und 6 weist einen kegelstumpfartigen Verlauf auf, wobei die Mantelfläche 54 des Kolbens 12 symmetrisch zur Hauptachse 41 gestaltet ist. Die Mantelfläche 54 bildet in diesen Ausführungsformen einen einzigen Wechselwirkungsbereich 22, mit dessen Hilfe das bereitgestellte Feld 34 des Felderzeugungsmittels 31 reflektiert werden kann und zur Ermittlung des Abstandes zwischen den Oberflächenabschnitten 24 und dem Positionssensor 21 genutzt werden kann.
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In der 7 ist eine Schnittdarstellung gemäß Schnittlinie VII-VII des fluidtechnischen Antriebssystems 1 aus der 1 gezeigt. An dem beispielhaft kreiszylindrisch gestalteten Kolben 12 der Kolbenanordnung 14 sind Wechselwirkungsbereiche 22 ausgebildet, die über eine besondere Gestalt verfügen. Ein erster Wechselwirkungsbereich 42 ist als schräg zur nicht dargestellten, normal zur Darstellungsebene der 7 verlaufenden, Hauptachse 41 ausgerichteter Zylinderabschnitt ausgebildet und erstreckt sich, beginnend an der Kolbenkante 44, über die gesamte Mantelfläche 54 des Kolbens 12, bis hin zu der zweiten Kolbenkante 45. Der Verlauf des ersten Wechselwirkungsbereichs 42 ist relativ zur Hauptachse 41 schräg und weist eine relativ geringe Steigung auf. Ein zweiter Wechselwirkungsbereich 43 ist als eine sich zwischen einer Kolbenkante 44a des Kolbens 12 und einer zweiten Kolbenkante 45a des Kolbens 12 ausdehnende schmale, den Kolben 12 durchsetzende, Nut ausgebildet. Der zweite Wechselwirkungsbereich 43 verfügt, wie der erste Wechselwirkungsbereich 42, über einen relativ zur Hauptachse 41 schrägen Verlauf. Dabei ist seine Steigung größer, als die des ersten Wechselwirkungsbereichs 42. Es ist auch denkbar, dass der erste Wechselwirkungsbereich 42 und/oder der zweite Wechselwirkungsbereich 43 einen konusartigen beziehungsweise bogenförmigen Verlauf aufweisen.
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Das in der 7 gezeigte fluidtechnische Antriebssystem 1 verfügt über ein Zylindergehäuse 5, dem drei Positionssensoren 21 zugeordnet sind. Die Positionssensoren 21 sind jeweils den Wechselwirkungsbereichen 22, 42, 43 zugeordnet und verfügen jeweils über Felderzeugungsmittel 31, die ein dem zugeordneten Wechselwirkungsbereich 22, 42, 43 entgegengerichtetes Feld 34 aufweisen. Ferner verfügen die Positionssensoren 21 jeweils über Felderfassungsmittel 32, deren Erfassungsbereich 61 ebenfalls den Wechselwirkungsbereichen 22, 42, 43 entgegengerichtet ist. Einer der drei am Zylindergehäuse 5 angeordneten Positionssensoren 21 ist ein ergänzender, zu den übrigen Positionssensoren 21 vorzugsweise baugleicher, Positionssensor 46, der mit dem ersten Wechselwirkungsbereich 42 zusammenwirkt. Der ergänzende Positionssensor 46 ist, wie auch der Positionssensor 21, dem ersten Wechselwirkungsbereich 42 zugewandt, so dass sein Feld 34 dem des Positionssensors 21 entgegengerichtet ist. Der Positionssensor 21 sowie der ergänzende Positionssensor 46 wirken mit dem Wechselwirkungsbereich 42 zusammen, um die Abstände zwischen den Positionssensoren 21 und den Oberflächenabschnitten 24 der Wechselwirkungsbereiche 42 zu ermitteln. Dabei können die Positionssensoren 21, 46 entweder einzeln für sich oder gemeinsam den Abstand ermitteln, um die Position der Kolbenanordnung 14 zu bestimmen.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist dem ersten Wechselwirkungsbereich 42 sowohl der Positionssensor 21 als auch der ergänzende Positionssensor 46 zugeordnet, wobei die Positionssensoren 21, 46 zueinander so ausgerichtet sind, dass ihre beiden Felder 34 rechtwinkelig zueinander ausgestrahlt werden. Der ergänzende Positionssensor 46 ist somit auch vorzugsweise zum ersten Wechselwirkungsbereich 42 rechtwinkelig ausgerichtet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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