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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Hubhöhe einer Kolbenstange innerhalb eines Zylinders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ist es notwendig, die Position beweglicher Vorrichtungen, z.B. von Arbeitsgeräten oder Maschinenteilen, zu erfassen. Die Vorrichtungen werden meist von Druckmittelzylindern bewegt, die sich zur genauen Erfassung der Arbeitsstellung anbieten. Eine Anbringung der hierfür notwendigen Messtechnik erweist sich in der Praxis jedoch als aufwendig und stellt häufig ein Problem dar.
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Insbesondere muss bisher bereits in der Planung der Zylinder-Komponenten, innerhalb des Druckbereiches, die Mess-Vorrichtung bei der Ausgestaltung berücksichtigt werden. Somit muss von vornherein in der Planung entschieden werden ob ein ausgelegter Zylinder eine Positionserfassung ermöglichen soll. Dies wiederrum hat einen negativen Einfluss auf den Preis der gesamten Baureihe eines Zylinder-Typs.
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Eine derartige Vorrichtung zur Erfassung der Hubhöhe einer Kolbenstange innerhalb eines Zylinders, insbesondere Druckmittelzylinder, ist in
EP 1 070 856 B1 beschrieben. Es ist bekannt, zur Erfassung der Hubhöhe einer Kolbenstange innerhalb eines Zylinders, Drehwinkelsensoren einzusetzen. Ein Bewegungswandler in Form einer Meßstange, ausgebildet als Stab der in Längsrichtung eine Verwindung aufweist, die durch eine Bohrung beispielsweise in eine Kolbenstange hineinragt und von dieser zwangsgeführt wird, wandelt die Translationsbewegung der Kolbenstange in eine Rotationsbewegung um eine von dem Drehwinkelsensor erfasste Rotationsachse um. Dieser Drehwinkelsensor generiert aus der so erzeugten Drehbewegung wiederrum ein elektrisches Signal, in Abhängigkeit von dem erfassten Drehwinkel, welcher über den Bewegungswandler mit der Hubhöhe der Kolbenstange korreliert.
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Nachteilig an diesem Aufbau ist jedoch, dass einzelne Komponenten des Zylinders aufwendig an diese Vorrichtung zur Erfassung angepasst werden müssen. Sie erfordern neben den bereits notwendigen hydraulischen Merkmalen der Komponenten, weitere Funktionsmerkmale die mit der Sensoreinrichtung interagieren müssen. Gemeint sind der Boden des Zylindergehäuses, der zur Aufnahme der Sensoreinrichtung ausgelegt werden muss, oder die von innen in Längsrichtung gebohrte Kolbenstange. Da Teile der Sensoreinrichtung bis in den Druckbereich des Zylinders eingreifen, ist außerdem ein weiterer Durchbruch im Zylindergehäuse notwendig, der eine zusätzliche Abdichtung zur Umgebung erfordert. Weitere Nachteile ergeben sich durch die erschwerte Zugänglichkeit zu den einzelnen Komponenten der Sensoreinrichtung, die innerhalb der Geometrie oder des Druckbereiches des Zylinders liegen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht somit darin, eine Vorrichtung zur Erfassung der Hubhöhe so zu gestalten, dass sie einfach und vielseitig einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, wobei die Sensoreinrichtung von außen am Zylinder angebracht ist. Hierbei ist denkbar die Sensoreinrichtung fest mit dem Zylinder zu verbinden oder in bevorzugter Weise lösbar an ihm anordnen. Wobei letzteres für Nachrüstungen oder Reparaturen vorteilhaft ist.
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Infolge dieser Anordnung lässt sich die Hubhöhe der Kolbenstange erfassen, ohne hierzu komponentenveränderliche Maßnahmen am Zylinder umzusetzen oder diese bei der konstruktiven Auslegung der Zylinder zu berücksichtigen. Es sind keine zusätzlichen Durchbrüche, zu den bereits bestehenden Fluid-Anschlussöffnungen und der Kolbenstangendurchführung im Zylinderkopf erforderlich, wodurch die Gefahr einer späteren Leckage durch defekte Dichtungen deutlich reduziert wird. Außerdem besteht hierdurch die Möglichkeit Drehwinkelsensoren mit unterschiedlichen Abmessungen zu verwenden, die zumindest annähernd von der Geometrie des Zylinders unabhängig sind. Des Weiteren ist bei einer notwendigen Reparatur und/oder einem Austausch der Sensoreinrichtung die Demontage des Zylinders nicht zwingend erforderlich, sodass der Montageaufwand erheblich reduziert wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erfassung der Hubhöhe ist der Bewegungswandler als Getriebe ausgeführt, welcher angetrieben von den Translationsbewegungen der Kolbenstange zu einer Rotationsbewegung um die erfasste Rotationsachse des Drehwinkelsensors führt. Das Getriebe kann aus zwei Komponenten bestehen, wobei hiervon zumindest eine lösbar mit der Kolbenstange verbunden ist. Hierdurch lassen sich, durch eine bedarfsorientierte Wahl der Getriebeeigenschaften, unterschiedliche Übersetzungen für die Bewegungswandlung erzielen, wodurch ein besonders genaues Messverfahren ermöglicht wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ragt der Bewegungswandler zumindest teilweise in die Führungsbahn des Führungsgliedes und wird durch diese formschlüssig zwangsgeführt. Dies ermöglicht eine besonders sichere Positionsänderung des Bewegungswandlers und führt so zu einer geringen Fehleranfälligkeit des Messverfahrens. Die Führungsbahn kann hierbei abhängig von der erforderlichen Messauflösung gestaltet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Bewegungswandler als Hebel ausgeführt und um die Rotationsachse des Drehwinkelsensors drehbar gelagert. Somit lässt sich die Position des Drehwinkelsensors beliebig weit von der Kolbenstange entfernen. Wodurch eine flexiblere Positionierung der Sensoreinrichtung erzielt wird. Außerdem wird durch die direkte Kopplung des Hebels an der Rotationsachse des Drehwinkelsensors eine sehr hohe Genauigkeit erzielt, die nahezu ohne Übertragungsverluste zwischen der Kolbenstange und dem Drehwinkelsensor auskommt. Des Weiteren lässt sich durch die nahezu freie Wahl der Hebellänge die Übertragungsgenauigkeit bzw. Messgenauigkeit der Sensoreinrichtung beeinflussen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Führungsbahn zumindest teilweise nicht parallel zur Linearachse der Kolbenstange. Vorzugsweise ist die Kontur der Führungsbahn so ausgestaltet, dass in jedem Fall, während der Durchquerung des Bewegungswandlers des nicht parallelen Bereiches der Führungsbahn zur Linearachse der Kolbenstange, eine Kontaktfläche mit einem hineinragenden Teil des Bewegungswandlers entsteht. So wird erreicht, dass durch die Hubbewegung der Kolbenstange, dem hineinragenden Teil des Bewegungswandlers, durch die begrenzende Innenkontur der Führungsbahn, eine zumindest annähernd spielfreie Verschiebung quer zur Linearachse der Kolbenstange aufgezwungen wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Führungsbahn so ausgebildet, dass sie zumindest einen linearen Abschnitt aufweist, dass der lineare Abschnitt einen Winkel im Betrag größer null Grad zur Linearachse der Kolbenstange einschließt Hierdurch lassen sich abschnittsabhängige Auflösungsstufen der Bewegungsumwandlung gestalten. Vorzugsweise werden so Abschnitte der Führungsbahn mit einem stumpferen Winkel zur Linearachse der Kolbenstange gestaltet, um einen größeren Signalausschlag des Drehwinkelsensors während der Durchquerung für die Erfassung kritischer Hubbereiche zu erlangen. Kritische Hubbereiche, wie beispielsweise kurz vor der Endlage der Kolbenstange, lassen sich so genauer betrachten.
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Außerdem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Hubhöhe bevorzugt, bei welcher die Führungsbahn zumindest einen zur Linearachse der Kolbenstange zumindest annähernd parallel verlaufenden Endbereich aufweist. Durch die parallel verlaufenden Endbereiche kann unter anderem eine Pufferzone für einen schonenden Einlauf und/oder Auslauf des Bewegungswandlers in die bzw. aus der Führungsbahn genutzt werden. Ruckartige Stöße der Kolbenstange, die vor allem in den Endlagen auftreten, werden so zumindest annähernd nicht an die Sensorvorrichtung und den vorgeschalteten Mechanismus weitergegeben. Außerdem ergibt sich hierdurch die Möglichkeit nur bestimmte Zwischenbereiche von Hubbewegungen zu erfassen und die Endbereiche hiervon auszuschließen bzw. auszublenden, um so eine längere Haltbarkeit des Sensors zu gewährleisten. Des Weiteren können diese Bereiche nicht relevante Ruhestellungen der Kolbenstange darstellen.
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In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Bewegungswandler konzentrisch zur Rotationsachse des Drehwinkelsensors ausgebildet und mit dem Führungsglied gekoppelt. Der Bewegungswandler kann so als ein angetriebenes Sensorelement, z.B. der Sensorwelle des Drehwinkelsensors fungieren. Dies hat den Vorteil, dass zusätzlich Bauraum in der lokalen Umgebung des Zylinders eingespart werden kann. Die durch die Kolbenstange beschleunigte Masse der Sensoreinrichtung wird in dieser Ausführungsform ebenfalls minimiert und erhöht so den Wirkungsgrad des Messprinzips.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Sensoreinrichtung und/oder das Führungslied, in Richtung der Linearachse der Kolbenstange verschiebbar angeordnet. Durch die Verschiebbarkeit lassen sich unterschiedliche Hub-Bereiche mit ein und denselben Bauteilen der Sensorvorrichtung messen. Ist beispielsweise nur ein Bereichsabschnitt in der oberen Stellung der Kolbenstange interessant, kann die gesamt Vorrichtung in den oberen Bereich der Kolbenstange bzw. des Zylinders verschoben werden. Außerdem lässt sich die Sensoreinrichtung flexibel an variierende Einsatzorte eines Zylinders anpassen.
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Ferner ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, in der das Führungsglied an der Kolbenstange und die Sensoreinrichtung an dem Zylinder lösbar befestigt ist. Dabei weißt das Führungsglied einen Freiheitsgrad längs zur Linearachse der Kolbenstange auf und bildet so das verschiebbare Element der Vorrichtung. Hierbei sind der Drehwinkelsensor und der Bewegungswandler ortsfest mit dem Zylinder verbunden, wodurch beispielsweise Vibrationseinflüsse auf die Sensormesswerte reduziert werden. Durch die reversible Verbindung, zwischen dem Führungsglied und der Kolbenstange und der Sensoreinrichtung und dem Zylinder, kann des Weiteren eine leichte Austauschbarkeit der Mess-Vorrichtung erzielt werden. Dies ist vor allem im Falle eines Defektes des Zylinders und/oder der Sensoreinrichtung vorteilhaft.
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In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind das Führungsglied an dem Zylinder und die Sensoreinrichtung an der Kolbenstange lösbar befestigt. Hierdurch bildet der Drehwinkelsensor den verschiebbaren Teil der Vorrichtung, linear zur Kolbenstange. Das Führungsglied wird ortsfest am Zylinder befestigt. Durch die reversible Verbindung, zwischen dem Führungsglied und dem Zylinder und der Sensoreinrichtung und der Kolbenstange, kann des Weiteren eine leichte Austauschbarkeit der Mess-Vorrichtung erzielt werden. Dies ist vor allem im Falle eines Defektes des Zylinders und/oder der Sensoreinrichtung vorteilhaft.
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Darüber hinaus ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der der Bewegungswandler als Zahnrad und das Führungsglied als Zahnstange ausgeführt ist. Hierdurch lässt sich die Messauflösung bzw. Genauigkeit der MeßVorrichtung durch eine einfache Variation der Übersetzung anpassen. Dies erfolgt beispielsweise anhand unterschiedlicher Zahnraddurchmesser. Außerdem kann durch Auswahl der Zähnezahl weiterer Einfluss auf die Genauigkeit der Übertragung bzw. Messung ausgeübt werden. Außerdem kann durch diese Ausgestaltung eine besonders bauraumsparende Mess-Vorrichtung umgesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der Beispielsbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Die Zeichnungen zeigen
- 1 ein Druckmittelzylinder, bei welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung verbaut ist in einer perspektivischen Darstellung;
- 2 die Vorrichtung gemäß 1 im vergrößerten Maßstab in einer perspektivischen Darstellung;
- 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung nach 1 mit einem Winkel zwischen der Führungsbahn und der Linearachse der Kolbenstange; und
- 4 in Übersichtsdarstellung die erfindungsgemäße Vorrichtung nach 1 in drei unterschiedlichen Stellungen in Abhängigkeit der Hubhöhe der Kolbenstange in einer Vorderansicht, die mit Stellung 1, Stellung 2, Stellung 3 bezeichnet sind.
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Eine Vorrichtung befestigt an einem Druckmittelzylinder zur Erfassung der Hubhöhe H einer Kolbenstange 2 ist in 1 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine Sensoreinrichtung 3, bestehend aus einem Drehwinkelsensor 4, einem Bewegungswandler der als Hebel 5 ausgebildet ist, und ein Führungsglied 6 mit einer darin eingelassenen Führungsbahn 7, die zumindest einen Endbereich X1 aufweist.
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Die Sensoreinrichtung 3 ist in der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform lösbar mit Schellen 9 am Zylinder befestigt, während das Führungsglied 6 lösbar mit einem Klemmelement 8 an der Kolbenstange 2 befestigt ist. Alternativ können in einer nicht gezeigten Ausführungsform die Sensoreinrichtung 3 und das Führungsglied 6 in ihrer Anordnung vertauscht sein, sodass die Sensoreinrichtung 3 beweglich mit der Kolbenstange 2 verbunden ist und das Führungsglied 6 ortsfest am Zylinder 1 fixiert ist.
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Die bevorzugten lösbaren Befestigungsformen dienen zum einen der Verschiebung der gesamten Vorrichtung entlang des Zylinders 1, um bei Bedarf einen variablen Hubbereich anhand der Vorrichtung erfassen zu können. Zum anderen wird hierdurch eine Austauschbarkeit einzelner Komponenten der Vorrichtung gewährleistet. Die Verbindung zwischen dem Führungsglied 6 und der Kolbenstange 2 bewirkt, dass die translatorische Bewegung F der Kolbenstange 2 sich auf das Führungsglied 6 überträgt, so dass die Kolbenstange 2 und das Führungsglied 6 gemeinsam verschoben werden, wobei das Klemmelement 8 als Mitnehmer für das Führungsglied 6 dient. Der Drehwinkelsensor 4 erfasst rotatorische Bewegungen R um seine Rotationsachse R'. Um die Translationsbewegung F der Kolbenstange 2 in die Rotationsbewegung R zu wandeln, wird zwischen dem Führungsglied 6 und dem Drehwinkelsensor 4 der Hebel 5 eingesetzt. Der Hebel 5 ist um die Rotationsachse R' des Drehwinkelsensors 4 drehbar gelagert. Das gegenüberliegende Ende des Hebels 5 wird formschlüssig von der Führungsbahn 7 umschlossen und von dieser zwangsgeführt.
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Alternativ zur abgebildeten Ausführungsform kann die Umwandlung der Translationsbewegung F in eine Rotationsbewegung R mit einem alternativen Getriebe erfolgen. Der abgebildete Endbereich X1 kann dazu dienen den Hebel in einer Endstellung der Kolbenstange 2 zu entlasten und vor ruckartigen Beschleunigungen zu schützen. So erhöht sich die Haltbarkeit der Sensoreinrichtung 3.
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Wie in 2 zu sehen ist, ist der Hebel 5 so ausgestaltet, dass er in die Führungsbahn 7 hinein ragt und durch die Kontur der Führungsbahn 7 formschlüssig zwangsgeführt wird. Die Kontur der Führungsbahn 7 umschließt den Hebel 5, so dass eine möglichst sichere Übertragung der Bewegung gewährleistet ist. Diese Anordnung bedingt, dass eine direkte Abhängigkeit der Bewegungen dieser beiden Komponenten zueinander besteht. In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform kann anstelle des Hebels 5, der Bewegungswandler konzentrisch zur erfassten Rotationsachse R' des Drehwinkelsensors 4 ausgestaltet sein und so gleichzeigt als Sensorwelle dienen. In diesem Fall wäre eine vom Führungsglied 6 dem Bewegungswandler aufgeprägte Rotationsbewegung R direkt erfassbar. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann der Bewegungswandler als Zahnrad ausgebildet sein, welches mit einem als Zahnstange ausgebildeten Führungsglied 6 korrespondiert.
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Wie in 3 zu sehen ist, weist zumindest ein Abschnitt der Führungsbahn 7 einen nicht parallelen Verlauf zur Linearachse F' der Kolbenstange 2 auf. Der Winkel β, den der betreffende Abschnitt X2 und die Linearachse F' der Kolbenstange einschließen, ist im Betrag größer null. Durch die Größe des eingeschlossenen Winkels β wird der Sensoreinrichtung 3 ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis vorgegeben, mit der der Ausschlag des Hebels 5 bzw. das Signal des Drehwinkelsensors 4 in Abhängigkeit der translatorischen Bewegung F der Kolbenstange 2 beeinflusst werden kann.
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Alternativ zur dargestellten Ausführungsform kann die Führungsbahn 7 mehrere Abschnitte mit unterschiedlichen Winkeln β zur Linearachse F' der Kolbenstange 2 aufweisen, um einzelne Hubbereiche unterschiedlich fein aufzulösen. In 4 ist die erzwungene Rotationsbewegung R des Hebels 5 um die Rotationsachse R' des Drehwinkelsensors 4 mit einem Winkel α1- α3 in den derart dargestellten Stellungen angegeben. Hierzu ist der Zylinder 1 mit der Vorrichtung in drei unterschiedlichen Positionen der Kolbenstange 2 gezeigt. Der Betrag des Winkels α1- α3 ist abhängig von der jeweiligen Hubhöhe H der Kolbenstange und der damit verbundenen Translationsbewegung F in Richtung der Linearachse F' der Kolbenstange 2. Mit dem Winkel α1 gemäß Stellung 1, befindet sich die Kolbenstange 2 in einer eingefahrenen Position, wobei sich der Hebel 5 in der oberen Stellung befindet. Mit dem Winkel α2 gemäß Stellung 2, befindet sich die Kolbenstange 2 in einer mittleren Position, wobei der Hebel 5 durch die Führungsbahn 7 in Mittelstellung verschoben ist. Mit dem Winkel α3 gemäß Stellung 3, befindet sich die Kolbenstange 2 in einer ausgefahrenen Position, wobei der Hebel 5 sich nun in einer unteren Stellung befindet. Die Hubhöhe H steht folglich über die Vorrichtung, das heißt die dem Hebel 5 aus der Linearbewegung F des Führungsgliedes 6 mit der Kolbenstange 2 aufgeprägten Rotationsbewegung R, im direkten Zusammenhang mit der vom Drehwinkelsensor 4 erfassten Rotationsbewegung R. Das hieraus resultierende Signal des Drehwinkelsensors 4, kann infolgedessen zur Bestimmung der Hubhöhe H ausgewertet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder, Druckmittelzylinder
- 2
- Kolbenstange
- 3
- Sensoreinrichtung
- 4
- Drehwinkelsensor
- 5
- Bewegungswandler, Hebel
- 6
- Führungsglied
- 7
- Führungsbahn
- 8
- Klemmelement zur Befestigung des Führungsgliedes an der Kolbenstange
- 9
- Schelle zur Befestigung der Sensoreinrichtung am Zylinder
- F
- Translationsbewegung
- R
- Rotationsbewegung
- H
- Hubhöhe
- F'
- Linearachse der Kolbenstange
- R'
- Erfasste Rotationsachse des Drehwinkelsensors
- X1
- Endbereich der Führungsbahn
- X2
- linearer Abschnitt der Führungsbahn der in einem Betrag größer null zur Linearachse der Kolbenstange angeordnet ist
- α1-α3
- Rotationsbewegung des Bewegungswandlers
- β
- Einschließender Winkel zwischen Führungsbahn und Linearachse der Kolbenstange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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