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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Arbeitszylinders mit einem Positionssensor, der einen in einer Hohlkolbeneinheit angeordneten Messaufnehmerstab aufweist.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, hydraulische Arbeitszylinder mit einem Wegmesssystem zu versehen, das die Arbeitsstellung der Kolbeneinheit erfassen und somit mittelbar Betriebszustände der zu betätigenden Einheiten detektieren kann. Wichtige Anwendungsbereiche sind beispielsweise Landmaschinen oder auch Müll- und andere Kommunalfahrzeuge.
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Derartige Wegmesssysteme können insbesondere auf einer Erfassung eines sich durch die Position der Kolbeneinheit ändernden Magnetfeldes beruhen. Hierbei sind auch Lösungen bekannt, die das Wegmesssystem in den Druckraum des Arbeitszylinders integrieren. Beispielsweise ist eine Lösung bekannt, bei der die Kolbenstange hohl ausgebildet ist, so dass hier ein ortsfester Messstab angeordnet werden kann. Relativ zu dem Messstab führt die Kolbenstange die lineare Hubbewegung aus, die so von dem Messstab vorzugsweise berührungslos erfasst und dann ausgewertet werden kann.
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Nachteilig ist die aufwändige Montage. Nach dem Stand der Technik wird zunächst das Zylinderrohr mit dem Bodenverschlussteil verschweißt, wobei dies als massive MAG-Verschweißung erfolgt. Nach dem Reinigen des so gebildeten Innenraums muss das Wegmesssystem mit dem Messstab axial durch das Zylinderrohr eingeführt und an der Innenwandung des Bodenverschlussteils angeordnet werden. Besonders nachteilig ist das schwierige und zeitaufwändige Einfädeln der Anschlussleitungen. Ebenso ist die Befestigung und Gewährleistung der exakten axialen Ausrichtung des Messstabes schwierig und zeitaufwändig.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein zuverlässiges, zeit- und kostensparendes Herstellungsverfahren für einen Arbeitszylinder mit einem Positionssensor anzugeben, das eine hohe Automatisierung ermöglicht sowie eine hohe Qualität bereitstellt.
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Die Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Herstellung eines Arbeitszylinders mit einem Positionssensor ausgebildet, der den nachfolgend beschriebenen Aufbau aufweist.
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Der Arbeitszylinder gemäß dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren weist als Grundelemente einen Zylinder, eine Kolbeneinheit sowie einen Positionssensor auf.
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Der Zylinder des Arbeitszylinders weist in an sich bekannter Weise ein Zylinderrohr, ein Führungsverschlussteil und ein Bodenverschlussteil auf.
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Das Zylinderrohr weist zwei gegenüberliegende Zylinderrohrenden auf. Hierbei handelt es sich um das führungsseitige Zylinderrohrende und das bodenseitige Zylinderrohrende. An dem führungsseitigen Zylinderrohrende ist das Führungsverschlussteil und an dem bodenseitigen Zylinderrohrende das Bodenverschlussteil angeordnet. Nachfolgend werden das führungsseitige Zylinderrohrende und das bodenseitige Zylinderrohrende zusammengefasst auch als die Zylinderrohrenden sowie das Führungsverschlussteil und das Bodenverschlussteil zusammengefasst auch als die Verschlussteile bezeichnet. Durch das Zylinderrohr und die an dessen Zylinderrohrenden angeordneten Verschlussteile wird ein Zylinderinnenraum ausgebildet.
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Die Kolbeneinheit ist in dem Zylinderinnenraum angeordnet. Die Kolbeneinheit ist bevorzugt als eine Baugruppe aus Kolben und Kolbenstange ausgebildet, wobei bei dieser Ausbildung die Kolbenstange das Führungsverschlussteil gleitend durchsetzt. Die Kolbeneinheit kann aber beispielsweise auch einteilig ausgebildet sein und auch als Plungerkolben vorliegen. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung des Arbeitszylinders führt die Kolbeneinheit die lineare Hubbewegung aus.
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Die Kolbeneinheit weist eine bodenseitig offene Axialbohrung auf und ist somit als eine Hohlkolbeneinheit ausgebildet. Die Axialbohrung spannt einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum auf, der den Raum für die Anordnung eines Messaufnehmerstabs bereitstellt.
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Ferner weist der Arbeitszylinder einen Positionssensor auf, wobei für das erfindungsgemäße Verfahren nachfolgend beschriebener Aufbau des Positionssensors zu Grunde liegt.
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Der Positionssensor weist einen Grundkörper, einen axial erstreckten Messaufnehmerstab sowie eine Auswerteelektronik auf. Es kann sich hierbei sowohl um ein analoges als auch um ein digitales System handeln.
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Der Grundkörper, der auch als Sensorgehäuse bezeichnet wird, weist vorzugsweise eine zylindrische Grundform auf und ist in einer axialen Aufnahmebohrung des Bodenverschlussteils angeordnet. Die axiale Aufnahmebohrung befindet sich an der Innenseite des Bodenverschlussteils. Als Innenseite wird die axial in Richtung Kolbeneinheit gerichtete Seite des Bodenverschlussteils verstanden, die einen Teil der inneren Oberfläche des Zylinderrinnenraums darstellt. Der Messaufnehmerstab ist an dem Grundkörper angeordnet und ist bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Grundkörpers in dem Zylinderboden axial und konzentrisch zu dem zylindrischen Zylinderinnenraum angeordnet und in Richtung des Führungsverschlussteils ausgerichtet. Mittelbar über den Grundkörper ist somit auch die Lagebeziehung des Messaufnehmerstabs relativ zu dem Bodenverschlussteil festgelegt. Der Messaufnehmerstab taucht abhängig von der Hubbewegung in die Axialbohrung der Hohlzylindereinheit ein, wobei jedoch der Messaufnehmerstab das feststehende und die Axialbohrung das bewegliche Element in dieser veränderlichen Lagebeziehung darstellt. Die Eintauchtiefe des Messaufnehmerstabs in der Axialbohrung wird induktiv erfasst, wobei vorzugsweise ein Ringmagnet an dem Hohlkolben angeordnet ist, der den Messaufnehmerstab umgibt und sich bei einer Hubbewegung relativ zu dem Messaufnehmerstab linear bewegt. Die Baugruppe aus Grundkörper und Messaufnehmerstab befindet sich bei bestimmungsgemäßer Verwendung im Druckraum des Arbeitszylinders. Ferner ist vorzugsweise über Anschlussleitungen, die aus dem Grundkörper herausgeführt sind, die Auswerteelektronik verbunden, die die Primärsignale des Messaufnehmerstabs weiter auswertet und als Messsignale für die weitere Positionsauswertung bereitstellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Arbeitszylinders mit Positionssensor ist gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Fügen des Positionssensors mit seinem Grundkörper in die Aufnahmebohrung des Bodenverschlussteils zu einer Vorbaugruppe
- b) Befestigen des Grundkörpers in der Aufnahmebohrung,
- c) Fügen und Verbinden des Zylinderrohrs und des Bodenverschlussteils unter Anordnen des Messaufnehmerstabs in dem Zylinderinnenraum,
- d) Fügen der Kolbeneinheit, des Führungsverschlussteils und des Zylinderrohrs unter Anordnen der Kolbeneinheit mit dem Messaufnehmerstab in der Axialbohrung.
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Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden nachfolgend näher beschrieben.
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a) Fügen des Positionssensors mit seinem Grundkörper in die Aufnahmebohrung des Bodenverschlussteils zu einer Vorbaugruppe
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In diesem Verfahrensschritt wird der Grundkörper des Positionssensors in die Aufnahmebohrung des Bodenverschlussteils axial eingesetzt. Vorteilhaft und abweichend vom Stand der Technik liegt bei diesem Verfahrensschritt das Bodenverschlussteil ohne angekoppeltes Zylinderrohr vor, so dass eine freie Zugänglichkeit zu der Innenseite des Bodenverschlussteils besteht und insbesondere etwaige Anschlussleitungen in Durchführungen des Bodenverschlussteils unproblematisch eingeführt werden können. Weiterhin besteht vorteilhaft ein freier lateraler Zugang etwaiger Handlungstechnik, um bei automatisierter Fertigung den Grundkörper mit einem Greifer oder bei manueller Fertigung durch Montagepersonal führen und in die Aufnahmebohrung einsetzen und dort befestigen zu können.
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b) Befestigen des Grundkörpers in der Aufnahmebohrung
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Nachdem der Grundkörper in die Aufnahmebohrung eingesetzt ist, wird er im Verfahrensschritt b) dort befestigt. Als Befestigen wir hierbei insbesondere die axiale Lagefestlegung zu dem Bodenverschlussteil verstanden. Beispielsweise wird der in das Innere der Bohrung eingeführte Grundkörper entweder durch den im Kolbenraum vorhandenen Druck in Position gehalten, oder es kann über eine Nut im Grundkörper und eine radial angeordneten Schraube, die in diese Nut eingereift, der Grundkörper fixiert werden. Als Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es zu betrachten, dass nun eine Vorbaugruppe bereitgestellt ist, die aus dem Bodenverschlussteil sowie dem Grundkörper und Messaufnehmerstab besteht.
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c) Fügen und Verbinden des Zylinderrohrs und des Bodenverschlussteils unter Anordnen des Messaufnehmerstabs in dem Zylinderinnenraum
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Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Fügen und Verbinden der Vorbaugruppe mit dem Zylinderrohr. Hierzu wird das Zylinderrohr axial in Richtung Bodenverschlussteil geführt, wobei der Messaufnehmerstab in dem sich bildenden Zylinderinnenraum positioniert wird. Vorzugsweise weist das Bodenverschlussteil einen Ringstutzen mit einer Schulter auf, die eine axiale Ringfläche bildet. Hierbei wird das Zylinderohr auf den Ringstutzen aufgeschoben, so dass es mit seiner Zylinderrohrringfläche an der axialen Ringfläche des Bodenverschlussteils anliegt. Die Verbindung erfolgt formschlüssig vorzugsweise als Laserverschweißung unter Ausbildung einer radial angeordneten Laserringschweißnaht. Es wurde überraschend gefunden, dass mittels der Laserverschweißung eine ausreichend geringe Streckenenergie eingebracht werden kann, so dass die thermisch empfindlichen Bauteile des Positionssensors, insbesondere das Grundgehäuse, nicht geschädigt werden.
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d) Fügen der Kolbeneinheit, des Führungsverschlussteils und des Zylinderrohrs unter Anordnen der Kolbeneinheit mit dem Messaufnehmerstab in der Axialbohrung
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In dem Verfahrensschritt d) wird die Kolbeneinheit zunächst in das Führungsverschlussteil eingeführt. Nachfolgend erfolgt die Montage der Baugruppe aus Führungsverschlussteil und Kolbeneinheit, wobei die Kolbeneinheit so in das Zylinderrohr eingeführt wird, dass der Messaufnehmerstab in die Axialbohrung der Kolbeneinheit eintaucht und vorzugsweise dort berührungsfrei zu der Kolbeneinheit angeordnet ist. Das Führungsverschlussteil wird an das führungsseitige Ende des Zylinderrohrs gefügt und dort vorzugsweise ebenfalls mittels Laserverschweißung formschlüssig befestigt.
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Erfindungsgemäß können die Verfahrensschritte c) und d) sowohl in der Reihenfolge c), d) als auch in der Reihenfolge d), c) durchführt werden.
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Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt insbesondere zu Grunde dass überraschend gefunden wurde, dass die Wärmeeinflusszone mittels einer Laserverschwei-ßung so begrenzt werden kann, dass auch ein bereits eingesetzter Positionssensor nicht thermisch beschädigt wird. Erst durch diese Überlegung, die dem Stand der Technik grundlegend entgegensteht, werden die besonderen Vorteile ermöglicht. Durch den nach dem erfindungsgemäße Verfahren freien Zugang zu der Innenseite des Bodenverschlussteils bei dem Einsetzen des Positionssensors können die aus dem Grundkörper führenden Anschlussleitungen in einfacher Weise durch die dafür vorgesehenen Öffnungen in dem Bodenverschlussteil geführt werden. Zudem besteht ein seitlich freier Zugang, so dass der Grundkörper unproblematisch direkt gegriffen werden kann. Vorzugsweise kann dies auch automatisiert mittels einem Greifer erfolgen. Vorteilhaft wird so eine Belastung des Messaufnehmerstabs vermieden und es wird dieser vor einer eventuellen Beschädigung geschützt. Ferner wird vorteilhaft die Positionierung des Grundkörpers relativ zu dem Bodenverschlussteil sowie dessen Befestigung vereinfacht. Vorteilhaft können somit kostengünstig und in hoher Qualität Arbeitszylinder mit einem Positionssensor in hohen Stückzahlen für Anwendungen wie beispielsweise in der Landwirtschaft zur Verfügung gestellt werden, wo eine elektronisch auswertbare Positionsmessung bei Arbeitszylindern, auch für eine satellitengestützte Steuerung, zunehmend an Bedeutung gewinnt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Variante des Verfahren ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenverschlussteil mittels einer umlaufenden Laserringschweißnaht mit dem Zylinderrohr stoffschlüssig verbunden ist und die Laserringschweißnaht eine fluiddichte Dichtebene ausbildet, und dass der Verfahrensschritt c) mittels Durchführen eines Laserverschweißens des Bodenverschlussteils mit dem Zylinderrohr unter Herstellung der Laserringschweißnaht erfolgt.
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Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder als ein Differenzialarbeitszylinder ausgebildet ist, dass die Kolbeneinheit einen Kolben und eine Kolbenstange aufweist und dass die Axialbohrung in der Kolbenstange angeordnet ist.
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Gemäß dieser vorteilhaften Variante kann ein Differenzialarbeitszylinder, der hohe Verbreitung und hohe wirtschaftliche Bedeutung aufweist in einfacher und zuverlässiger Weise mit einem Wegmesssystem gefertigt werden.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Variante ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt d) vor dem Verfahrensschritt c) erfolgt.
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Somit wird gemäß dieser Weiterbildung zunächst eine Baugruppe aus dem Zylinderrohr, dem Führungsverschlussteil und der Kolbeneinheit zusammengesetzt. Vorteilhaft kann somit abweichend vom Stand der Technik eine Baugruppe aus dem Zylinderrohr, dem Führungsverschlussteil und der Kolbeneinheit komplettiert und dann für die weitere Montage genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist in dieser Baugruppe der empfindliche Positionssensor nicht einbezogen, so dass weder Vorkehrungen gegen eine Beschädigung getroffen werden müssen noch ein Behinderung durch den Positionssensor vorliegt. Eventuelle Verunreinigungen an der Kopplungsstelle zwischen dem Führungsverschlussteil und dem führungsseitigen Ende können vor der finalen Montage mit der Vorbaugruppe ungehindert entfernt werden.
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Für die Fertigstellung des Arbeitszylinders bedarf es nachfolgend lediglich des Fügens dieser Baugruppe mit der erfindungsgemäßen Vorbaugruppe. Hierbei kann der Messaufnehmerstab in besonders einfacher Weise in die Axialbohrung der Kolbeneinheit eingeführt werden. Bei der bevorzugten Kopplung zwischen der Vorbaugruppe an dem Bodenverschlussteil mit dem bodenseitigen Ende des Zylinderrohrs mittels Laserverschweißung entstehen weder Verzunderungen noch andere Verschmutzungen.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenverschlussteil mittels einer Gewindepaarung mit dem Zylinderrohr verbunden ist und dass der Verfahrensschritt c) mittels Durchführen eines Verschraubens des Bodenverschlussteils mit dem Zylinderrohr erfolgt.
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Auch bei dieser Variante des Verfahrens werden die beschriebenen besonderen Vorteile bereitgestellt.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Schnittdarstellung eines lasergekoppelten Arbeitszylinders mit Positionssensor
- 2 Schnittdarstellung der Vorbaugruppe
- 3 Schnittdarstellung der Vorbaugruppe
- 4 Schnittdarstellung eines Arbeitszylinders nach erfolgter Schraubkopplung
näher erläutert.
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Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf jeweils gleiche Merkmale oder Bauteile. Die Bezugszeichen werden in der Beschreibung auch dann verwandt, sofern sie in der betreffenden Figur nicht dargestellt sind.
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1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines gemäß dem Verfahren mittels Laserringschweißnaht gekoppelten Arbeitszylinders als einen Differenzialarbeitszylinder.
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Der Arbeitszylinder weist als Grundkomponenten den Zylinder 10, die Kolbeneinheit 20 und den Positionssensor 30 auf.
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Der Zylinder 10 besteht im Ausführungsbeispiel aus dem Zylinderohr 11 und den Verschlussteilen 12, 13, wobei an dem führungsseitigen Ende 14 das Führungsverschlussteil 12 und an dem bodenseitigen Ende das Bodenverschlussteil 13 angeordnet ist und ein Zylinderinnenraum 16 ausgebildet wird. Die Kolbeneinheit 20 setzt sich aus dem Kolben 22 und der mittels einer Axialbohrung 21 hohl ausgebildeten Kolbenstange 23 zusammen. Die Kolbenstange 23 führt gleitend durch das Führungsverschlussteil 12.
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Der Positionssensor 30 setzt sich zusammen aus dem Grundkörper 31 und dem hieran angeordneten Messaufnehmerstab 32 sowie aus der Auswerteelektronik 33.
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Der Grundkörper 31 ist in dem Bodenverschlussteil 13 in dessen Aufnahmebohrung 17 angeordnet und das Bodenverschlussteil 13 ist mittels einer Laserringschweißnaht mit dem Zylinderrohr 11 verschweißt.
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Bei einer Hubbewegung der Kolbeneinheit 20 verändert sich linear deren relative Lagebeziehung zu dem in der Axialbohrung 21 aufgenommenen Messaufnehmerstab 32. Die damit verbundene Änderung des den Messaufnehmerstab 32 umgebenden Magnetfelds wird durch diesen erfasst, durch die Auswerteelektronik ausgewertet und von dieser als Messsignal ausgegeben.
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Das Verfahren wird anhand der in 2 dargestellten Vorbaugruppe 40 näher erläutert.
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Im Verfahrensschritt a) wird die Baugruppe aus Grundkörper 31 und Messaufnehmerstab 32 in die zylindrische Aufnahmebohrung 17 des Bodenverschlussteils 13 mit dem Grundkörper 31 axial eingefügt. Hierbei ist vorteilhaft ein räumlich freier Zugang zu den beiden Fügekomponenten 31, 32 und 13 gegeben.
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Im Verfahrensschritt b) erfolgt die Befestigung des Grundkörpers 31 in der Aufnahmebohrung 17, wobei dies vorliegend parallel zu dem Fügevorgang in Verfahrensschritt a) durch das passgenaue axiale Einpressen erfolgt.
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In den nachfolgenden Verfahrensschritte c) und d) wird die Kolbeneinheit 20 in das Führungsverschlussteil 12 eingesetzt, das Führungsverschlussteil 12 wird am Zylinderrohr 11 montiert und ferner wird die Kolbeneinheit 20 in das Zylinderrohr 11 eingeführt. Die Kopplung zwischen dem Bodenverschlussteil 13 der Vorbaugruppe 40 und dem Zylinderrohr 11 erfolgt mittels Laserverschweißens, so dass eine Laserringschweißnaht 50 erhalten wird, zu zugleich eine fluiddichte Dichtebene ausbildet.
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Die 3 und 4 zeigen ein modifiziertes Ausführungsbeispiel, für das die vorstehenden Beschreibungsinhalte zu 1 und 2 in gleicher Weise gelten, soweit nicht nachfolgende Besonderheiten zutreffen.
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Die Vorbaugruppe 40 gemäß 3 wird in den Verfahrensschritten a) und b) hergestellt und weist an dem Bodenverschlussteil 13 ein Außengewinde (ohne Bezugszeichen) auf. Hierzu korrespondierend weist das Zylinderrohr 11 ein Innengewinde (ohne Bezugszeichen) auf.
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In dem Verfahrensschritt d) wird zuerst eine Baugruppe aus Zylinderrohr 11, Führungsverschlussteil 12 und Kolbeneinheit 20 mit Kolben 22 und hohl ausgebildeter Kolbenstange 23 montiert.
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Letztlich werden im Verfahrensschritt c) die Baugruppe aus Zylinderrohr 11, Führungsverschlussteil 12 und Kolbeneinheit 20 und die Vorbaugruppe axial zueinander gefügt, wobei hier der Messaufnehmerstab 32 in die Axialbohrung 21 eingeführt wird. Abschließend werden das Bodenverschlussteil 13 und das Zylinderrohr 11 mittels der Paarung aus Außengewinde und Innengewinde verschraubt und somit formschlüssig gekoppelt.
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Verwendete Bezugszeichen
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- 10
- Zylinder
- 11
- Zylinderrohr
- 12
- Führungsverschlussteil
- 13
- Bodenverschlussteil
- 14
- führungsseitiges Zylinderrohrende
- 15
- bodenseitiges Zylinderrohrende
- 16
- Zylinderinnenraum
- 17
- axiale Aufnahmebohrung
- 20
- Kolbeneinheit
- 21
- Axialbohrung
- 22
- Kolben
- 23
- Kolbenstange
- 30
- Positionssensor
- 31
- Grundkörper
- 32
- Messaufnehmerstab
- 33
- Auswerteelektronik
- 40
- Vorbaugruppe
- 50
- Laserringschweißnaht
