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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erkennung und Überwachung einer linearen, zyklischen Hubbewegung nach Anspruch 1.
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Um die Kolbenposition eines Zylinders in den Endlagen zu erfassen werden üblicherweise Zylinderschalter verwendet. Zylinderschalter sind Magnetsensoren, die ein Magnetfeld und damit einen an oder auf dem Kolben befestigten Magneten detektieren können. Meist entspricht die Baulänge der Zylinderschalter in etwa ihrem Messbereich. Zur Erfassung der Kolbenstellung eines Zylinders werden Zylinderschalter in den jeweiligen Endlagen des Zylinders angeordnet. Zylinderschalter erfassen berührungslos die Kolbenstellung eines Zylinders durch die nicht-magnetische Zylinderwandung hindurch.
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Dieses Grundprinzip, der sensorischen Erfassung eines Magneten bzw. eines Magnetfeldes durch einen Magnetsensor und der Detektion einer Endlage einer linearen, zyklischen Bewegung ist in vielfältiger Weise auch bei anderen Aktoren anzutreffen. Beispielsweise kann so die Greiferstellung der Greiferbacken an Greifern bestimmt werden, oder Endpositionen an Linearschlitten. Zur Bestimmung der Kolbenposition werden Magnetsensoren häufig an Endlagen von Pneumatikzylindern und/oder an Hydraulikzylindern eingesetzt um den Hubzyklus „geöffnet“, „Zwischenstellung“, „geschlossen“ zu erfassen und zu überwachen.
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Nachteilig ist, dass Zylinderschalter einen kleinen Messbereich aufweisen. Problematisch wirkt sich der kleine Messbereich insbesondere dann aus, wenn die lineare, zyklische Hubbewegung als Ganzes erfasst werden soll.
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Weiter sind Anwendungen bekannt, die eine Vielzahl von Sensorelemente zur Bestimmung eines genauen Positionswertes nutzen. Zur Messbereichserweiterung werden Sensorelemente aneinandergereiht. Die Sensorelemente bilden dabei einen größeren Messbereich aus und sind entlang des Messbereichs in einem festen Abstand positioniert. Hallelemente können jeweils eine radiale Komponente des Magnetfeldes in einem kleinen Bereich links und rechts des Bauteilmittelpunktes messen. Mit einer großen Anzahl und durch Aneinanderreihung solcher Hallelemente kann der Messbereich auch über die gesamte Hublänge ausgebildet werden. Jedes Element liefert eine relative, aber eindeutige Position aus denen eine absolute Position bestimmt wird.
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Dieses Messverfahren ist zwar hochpräzise, jedoch ist ein Nachteil, dass die Baulänge des Sensors immer dem erreichbaren Messbereich entsprechen muss und die Position des Sensors genau eingestellt und eingelernt werden muss. Außerdem müssen die einzelnen Elemente über eine relativ komplexe Ansteuerung selektiert werden und können auch nur auf Zylindern mit axial magnetisierten Magneten betrieben werden. Insgesamt handelt es sich auch um eine recht teure Lösung, da viele Bauteile benötigt werden.
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Solch ein Messverfahren ist bspw. aus der
DE 102005029224 A1 bekannt. Darin wird ein Kolbengeschwindigkeitsdetektor beschreiben, welcher eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren umfasst. Der Detektor ist eingerichtet die Zeit zu bestimmen, wann sich ein am Kolben befestigter Magnet an jedem Sensor vorbeibewegt, um auf Basis der Relativpositionen der Sensoren eine geschätzte Geschwindigkeit des Kolben zu berechnen, wobei der feste Abstand zwischen mindestens zwei Sensoren bekannt ist. Nachteilig ist jedoch, dass zur Ausführung des Messverfahrens mindestens zwei Sensoren benötigt werden. Weiter wird in der Schrift ein Detektor mit drei Hallsensoren, sowie auch die Verwendung von vier oder mehr Hall-Sensoren vorgeschlagen was nachteilig ist, wenn man eine kostengünstige Lösung sucht.
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Weiter ist aus der
DE 102010060550 A1 ein Sensor mit einer magnetisch oder induktiven Sensoreinheit mit zwei Sensorelementen mit einer Doppelfunktion bekannt. Der hier beschriebene Sensor hat nicht nur die Funktion der Positionserkennung an den Schaltpunkten, sondern erkennt zusätzlich auch den Verschleißgrad. Die zwei Sensorelemente liefern ein Sensorsignal in Abhängigkeit der Position des Kolbens. Aus den Zeitpunkten, an denen der Kolben die Schaltpunkte passiert, wird eine Bewegungsinformation über die Ein- und Ausfahrbewegung generiert, um durch Vergleich mit einer Referenzbewegungsinformation einen Verschleißgrad zu bestimmen. Nachteilig ist, dass die Sensorelemente jeweils in den Endlagen angeordnet sind, um die Aus- und Einfahrzeit bestimmen zu können. Damit muss der Sensor mindestens so lang sein wie die Hublänge des Kolbens, was nachteilig ist, denn es müssen dann entsprechende Längenvarianten vorgehalten werden, insbesondere bei Längen im Normhubbereich oder bei Hüben darüber hinaus die länger sind wirkt sich das hier angewandte Prinzip der Anordnung von Sensorelementen in den Endlagen nachteilig aus.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Erfassungsvorrichtung für eine zyklische, lineare Hubbewegung bereitzustellen, die unabhängig von der Länge des Hubweges die Hubbewegung, d.h. die Hubrichtung und eine dazugehörige Hubgeschwindigkeit eines Aktors automatisch erfasst. Weiter soll die Erfassungsvorrichtung die zyklischen Hubbewegungen überwachen, analysieren und dafür einen vorverarbeiteten Diagnosewert an eine übergeordnete Einheit übermitteln.
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Das individuelle Verhalten der Aktorik wird über eine Erfassungsvorrichtung sensorisch erkannt und überwacht. Weiter ist es vorgesehen, dass die Erfassungsvorrichtung den Bewegungszyklus der Aktorik automatisch erkennt und sich selbst über eine automatisch angestoßene Routine parametrisiert.
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Weiter kann die Erfassungsvorrichtung eine Hubgeschwindigkeit ermitteln, überwachen und an ein übergeordnetes System weitergeben.
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Durch selbständiges Setzen eines Normalbereichs, womit bei Unter oder - Überschreitung des Normbereichs eine Abweichung zum normalen BewegungsZyklus der Aktorik festgestellt wird, entlastet die Erfassungsvorrichtung das übergeordnete System, da von der Erfassungsvorrichtung nur ein einzelnes Signal gesetzt wird, wenn der Normalbereich verlassen wird.
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Außerdem soll die Erfassungsvorrichtung als Nachrüst-Kit an Bestandsmaschinen d.h. an bereits bestehenden linear angetriebenen Aktoren einfach nachgerüstet werden können, ohne das Steuerprogramm ändern zu müssen.
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Im Gegensatz zu vielen anderen bekannten Anwendungen ist die genaue Positionserfassung eines magnetischen Geber-Elements, d.h. eines Kolbens, eines Schlittens oder einer Greiferbacke für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung erfasst das zyklische, individuelle Verhalten der Aktorik automatisch, parametriert sich selbst, ermittelt und setzt Wertebereiche selbständig, überprüft, überwacht und vergleicht die sensorisch erfassten Werte mit den Wertebereichen, erstellt, speichert und dokumentiert Unregelmäßigkeiten und liefert Diagnoseinformation in Form von Diagnosewerte direkt an eine an die Erfassungsvorrichtung angebundene übergeordnete Einheit.
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Weiter ist die Aufgabe eine Intelligente Erfassungsvorrichtung zur Überwachung von einzelnen Prozessschritten einer Maschine oder Anlage bereitzustellen, die einfach herzustellen und einfach einzubauen ist und ohne Programmieraufwand Diagnoseinformation, d.h. Information über die Systemgesundheit eines Prozessschrittes erzeugt und diese Information als ein einzelnes Signal an einen Verteiler oder an eine übergeordnete Einheit direkt weitergeben kann.
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Die Überwachung und Diagnose des Bewegungsprofils des Gebermagneten dient dem frühzeitigen Erkennen von typischen Schadmustern. Zum Beispiel kann aufgrund einer verringerten Bewegungsgeschwindigkeit des Gebermagneten oder aufgrund der Tatsache, dass der Zyklus langsamer als gewohnt abläuft auf einen Verschleiß, oder auf eine fehlende Wartung bspw. aufgrund geringer Schmierung geschlossen werden. Weiter kann eine veränderte Druckluftzufuhr bedeuten, dass z.B. zu wenig Druck vorhanden ist oder eine Leckage besteht. Weiter kann eine veränderte Last z.B. bedeuten, dass sich der Zylinder nicht mehr bewegt, oder dass z.B. kein oder ein falsches Objekt in einem Greifer eingelegt ist. Durch einen Soll-Ist-Vergleich zwischen einem eingelerntem Bewegungsprofil oder -muster und dem direkten Vergleich mit den erfassten Werten der Erfassungsvorrichtung kann eine Veränderung festgestellt und auf Schadmuster geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß erfasst der Magnetsensor die Hubbewegung der Aktorik, die Geschwindigkeit und den Zyklusimpuls des magnetischen Geber-Elements und ermittelt daraus fiktiv eine Hubstrecke und die relative Position des Magnetsensors innerhalb dieser Hubstrecke. Dabei sind nicht die exakten, absoluten Werte entscheidend, sondern es werden Wertbereiche ermittelt, die in einen Normalbereich und in einen Fehlerbereich eingeteilt werden. Für jeden Bereich sieht die Erfassungsvorrichtung eine unterschiedliche Signalausgabe vor, welche über eine Kommunikationsschnittstelle direkt an ein überlagertes System weitergeben wird.
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Die Aufgabe wird vorteilhaft durch eine Anordnung umfassend einen Aktor mit einem Gebermagnet und eine Erfassungsvorrichtung mit einem Sensorelement, wobei die Anordnung zur Erkennung und zur Diagnose einer linearen, zyklischen Hubbewegung des Gebermagneten des Aktors mit der Erfassungsvorrichtung, die mitsamt des Sensorelements im Bereich des Aktors entlang einer Hubstrecke des Aktors angeordnet ist, eingerichtet ist, gelöst, wobei das Sensorelement einen Erfassungsbereich aufweist und der Gebemagnet in diesem Erfassungsbereich erkannt wird, wobei der Gebermagnet für einen vollständigen Zyklus zwei lineare Hin- und Herbewegungen mit je einer Hubstrecke ausführt und der Gebermagnet sich während einer solchen Hin- und Herbewegung in den Erfassungsbereich vollständig hinein und vollständig heraus bewegt.
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Weiter ist das Sensorelement derart ausgebildet, dass das Sensorelement die aus der Bewegung des Gebermagneten hervorgerufene Veränderung des Magnetfelds innerhalb des Erfassungsbereichs kontinuierlich erfasst, wobei die Erfassungsvorrichtung zur Erkennung und Diagnose der linearen, zyklischen Hubbewegung nicht zwingend in einer Endlage des Aktors angeordnet sein muss, was äußerst vorteilhaft gegenüber dem gezeigten Stand der Technik ist. Denn damit kann die Erfassungsvorrichtung wesentlich keiner gebaut werden und muss nicht mindestens so lang sein, wie die Hublänge des Aktors. Vielmehr hat die Hublänge des Aktors mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung keinen Einfluss auf die Baugröße, d.h. die Baulänge der Erfassungsvorrichtung. Die Erfassungsvorrichtung ist unabhängig von der Hublänge des Aktors. Das heißt die Hublänge definiert nicht die Länge der Erfassungsvorrichtung, da die Erfassungsvorrichtung nicht in einer Endlage des Aktors, sondern z.B. auch dazwischen angeordnet sein kann. Das heißt, der erfindungsgemäße Aktor kann für kurze Hübe, z.B. bei Greifern im einstelligen mm-Bereich, jedoch aber auch im Kurzhubbereich von 1-25mm, im Normhubbereich 1-2000mm, und darüber hinaus auch für Hublängen größer 1m, größer 5m oder größer 10m zur diagnostischen Analyse verwendet werden. Typische Baugrößen der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung sind Längen im Bereich von 1-6cm, bevorzugt liegt die Länge im Bereich zwischen 2 und 3 cm, gemessen ohne Kabelabgang.
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Weiter legt die Erfassungsvorrichtung bei der zyklischen Bewegung des Gebermagneten durch den Erfassungsbereich hindurch zwei Grenzwerte, einen ersten und einen zweiten Grenzwert fest, wobei die Erfassungsvorrichtung mittels an den Grenzwerten erfassten Zeitwerten eine Bewegungsrichtung eindeutig bestimmen und eine relative Geschwindigkeit des Gebermagneten erfassen kann.
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Ferner geschieht die Ermittlung der Richtungs- und Geschwindigkeitskomponente d.h. der Bewegungsrichtung und der relativen Geschwindigkeit unabhängig von der tatsächlich zurückgelegten Hubstrecke, welche der Gebermagnet in einer Hubbewegung pro Richtung zurücklegt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Anordnung zur Erkennung und zur Diagnose einer linearen, zyklischen Hubbewegung eines Gebermagneten eines Aktors mit einer Erfassungsvorrichtung vorgesehen.
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Vorteilhafterweise ist die Erfassungsvorrichtung so ausgebildet ist, dass die Erfassungsvorrichtung einen Erkennungsmodus und einen Diagnosemodus aufweist.
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Besonders zweckmäßig ist, dass der Erkennungsmodus zum Einlernen der Erfassungsvorrichtung ausgeführt ist und die Vorrichtung nach dem Einlernvorgang in den Diagnosemodus wechselt. Ein derartiges Vorgehen hat den Vorteil, dass die Erfassungsvorrichtung im Erkennungsmodus typische Bewegungsabläufe und/oder ein normales Bewegungsmuster des Gebermagneten erfasst und dieses eingelernt wird, wobei weiter die dazugehörige normale relative Geschwindigkeit und der dazugehörige Richtungswert des Gebermagneten erfasst wird.
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Weiter vorteilhat ist, dass die Erfassungsvorrichtung sich selbst über eine automatisierte Routine parametrisiert, dabei Wertebereiche in Abhängigkeit von einer über die Erfassungsvorrichtung einstellbaren Schwelle bildet und diese als Normalbereich und als Fehlerbereich definiert, wobei im Diagnosemodus die Erfassungsvorrichtung, die über das Sensorelement weiterhin kontinuierlich erfassten Werte mit den vordefinierten Wertebereichen vergleicht und einen vorgegebenen Diagnose-Wert als ein einzelnes Signal entsprechend des Wertebereichs an eine übergeordnete Einheit, z.B. an eine Steuereinheit (SPS) oder an ein überlagertes Softwaresystem (Moneo) übermittelt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 eine Schnittansicht eines Zylinders mit einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung;
- 2 eine schematische Übersicht.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt als Aktor 4 beispielsweise einen pneumatisch oder einen hydraulisch angetriebenen Zylinder. An den Aktor 4 ist seitlich eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung 1 angeordnet. Der Zylinder weist eine Kolbenstange mit Kolben 5 und einen auf dem Kolben 5 befestigten Gebermagneten 3 auf. Der Gebermagnet 3 ist in zwei Richtungen R1 und R2 bewegbar. Die zwei Endlagenstellungen des Zylinders sind schematisch dargestellt. In einer ersten Stellung, in der Grundstellung, ist der Kolben 5 in den Zylinder eingefahren. Eine zweite Stellung, gestrichelte Darstellung, zeigt den ausgefahrenen Kolben. Die Hubstrecke HS gibt den Bereich, bzw. die Strecke an, innerhalb der sich der Gebermagnet 3 im Zylinder hin- und herbewegen kann.
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Weiter weist die in 1 gezeigte Erfassungsvorrichtung 1 ein Sensorelement 2 und eine Auswerteeinheit AE auf. Die Erfassungsvorrichtung 1 ist außerhalb des Zylinders im Bereich des Aktors 4, d.h. entlang einer Hubstrecke HS des Aktors 4 (in diesem Ausführungsbeispiel mittig zur Hubstecke HS an den Zylinder) angeordnet. Mit dem Sensorelement 2 wird die Magnetfeldänderung, die durch eine Bewegung des Gebermagneten 3 hervorgerufen wird, in einem Erfassungsbereich E erfasst. Damit das Magnetfeld des Gebermagneten 3 das Gehäuse des Zylinders durchdringen kann, ist das Gehäuse aus einem nicht ferromagnetischen Material. Typischerweise ist der sensorische Erfassungsbereich E des Sensorelements 2 wie dargestellt kleiner als die Hubstrecke HS, innerhalb der sich der Gebermagnet 3 hin- und herbewegt. Während einer solchen Hin- oder Herbewegung bewegt sich der Gebermagnet 3 dabei in den Erfassungsbereich E vollständig hinein- und vollständig wieder heraus. Bewegt sich der Gebermagnet 3, verändert sich das Magnetfeld über die Hubstrecke HS. Die Veränderung des Magnetfelds wird innerhalb des Erfassungsbereichs E durch das Sensorelement 2 erkannt und kontinuierlich erfasst. Zur Ermittlung der Bewegungsrichtung R1, R2 des Gebermagneten, bzw. zur Ermittlung einer relativen Geschwindigkeit Vr des Gebermagneten 3 legt die Erfassungsvorrichtung 1 für jeden Hub zwei Grenzwerte G1 und G2 mit jeweils eindeutigem Zeitwert T1, T2, Tn d.h. eines Zeitstempels mit Datums- und Zeitwert fest. Die Grenzwerte liegen alle innerhalb des Erfassungsbereichs E. Mit diesen, an den Grenzwerten pro Hub ermittelten Zeitstempeln ermittelt die Erfassungsvorrichtung 1 die jeweilige Bewegungsrichtung R1, R2 und die jeweilige relative Geschwindigkeit Vr des Gebermagneten, und ordnet diese Werte R1, R2, Vr einander zu. Mit diesem Prinzip wird eine Überwachung und Diagnose einer zyklisch wiederkehrenden, linearen Hubbewegung eines Gebermagneten 3 eines Aktors 4 durch die Erfassungsvorrichtung 1 ermöglicht, ohne die tatsächlich zurückgelegte Hubstrecke HS des Gebermagnets 3 zu kennen. Die Überwachung und Diagnose erfolgt daher unabhängig zur Hubstrecke HS eines Gebermagnets 3.
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Weiter weist die Erfassungsvorrichtung 1 bzw. deren Auswerteeinheit AE eine Kommunikationsschnittstelle für einen Datenaustausch mit einer übergeordneten Einheit 10, z.B. einer Steuereinheit (SPS) oder einem überlagerten Softwaresystem (Moneo) auf. Die übergeordnete Einheit 10 kann eigenständig das Verhalten der Aktorik überwachen und bei entsprechender Konfiguration ein von der Erfassungsvorrichtung 1 bereits vorverarbeitetes, ausgewertetes Signal über IO-Link empfangen.
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2 zeigt eine schematische Übersicht der Arbeitsweise der in 1 gezeigten Erfassungsvorrichtung 1. Die Erfassungsvorrichtung 1 weist einen Erkennungsmodus DT und einen Diagnosemodus DM auf, die zeitlich getrennt voneinander ablaufen. Im Erkennungsmodus DT (dynamic teach) werden typische Bewegungsabläufe und/oder Bewegungsmuster des Gebermagneten 3 eingelernt. Insbesondere werden für jede Bewegung des Gebermagneten 3 an bestimmten Grenzwerten G1, G2 entsprechende Zeitwerte T1, T2, Tn, erfasst, anhand derer über eine Logik innerhalb der Erfassungsvorrichtung 1 die Bewegungsrichtung R1, R2 des Gebermagneten 3 und eine relative Geschwindigkeit Vr ermittelt wird.
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Im Erkennungsmodus DT werden die pro Hub erfassten Werte, die Richtungs- und Geschwindigkeitskomponenten R1, R2, Vr aufgelistet, und über mehrere Zyklen miteinander verglichen, so dass über die Zeit, in der der Erkennungsmodus DT aktiv ist, für den Aktor 4 typische Bewegungsabläufe oder -muster aus den Werten gebildet werden. Dabei werden z.B. Werte, die häufig vorkommen gruppiert und/oder Werte, die in einen Zusammenhang zu gewissen Zyklen gebracht werden können als Wertefolgen definiert. Mit dieser automatisiert ablaufenden Einlernmethodik (dynamic teach) können Bereiche sowie auch wiederkehrende Muster als ein für einen Aktor 4 typischer Normalbereich N als auch als ein typischer Fehlerbereich F automatisch erkannt und über eine intelligente Logik der Erfassungsvorrichtung definiert werden. Über diese automatisch ablaufende Routine parametriert sich die Erfassungsvorrichtung 1 von selbst.
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Sollte die automatisch ermittelte Schwelle nachträglich noch angepasst werden, kann dies über die Erfassungsvorrichtung 1 direkt erfolgen. Andererseits ist solche eine Anpassung auch über eine übergeordnete Einheit 10 möglich, z.B. über die Steuerungssoftware (Moneo).
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Nach dem Erkennungsmodus DT, der zum Einlernen der Erfassungsvorrichtung 1 ausgeführt wird, wechselt die Vorrichtung 1 automatisch nach einem bestimmten Zeitintervall in einen Diagnosemodus DM.
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Über das Sensorelement 2 werden kontinuierlich Werte erfasst. Sobald die Erfassungsvorrichtung sich im Diagnosemodus DM (diagnostic mode) befindet werden die über das Sensorelement 2 erfassten Werte über einen Soll-Ist-Vergleich mit den vordefinierten Wertebereichen N,F verglichen und ein fest vorgegebener Diagnose-Wert, als ein einzelnes Signal, entsprechend des ermittelten Wertebereichs N, F an eine übergeordnete Einheit 10 bzw. an eine Steuerung übermittelt.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere in der intelligenten Logik, welche in die Erfassungsvorrichtung 1 integriert ist, die durch selbständiges Setzen eines Normalbereichs N (im Erkennungsmodus DT) sowie durch den automatisch ablaufenden Soll-Ist-Vergleich (im Diagnosemodus) das übergeordnete System 10 entlasten, da von der Erfassungsvorrichtung 1 nur ein einzelnes Signal an das übergeordnete System 10 gesetzt wird, wenn der Normalbereich N verlassen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erfassungsvorrichtung
- 2
- Sensorelement, Magnetsensor
- 3
- Gebermagnet
- 4
- Aktor, Pneumatikzylinder, Hydraulikzylinder
- 5
- Kolbenstange mit Kolben
- 10
- übergeordnete Einheit, Steuereinheit
- HS
- Hubstrecke; Bereich, innerhalb dem sich der Gebermagnet bewegt
- E
- Erfassungsbereich; Bereich innerhalb dem das Sensorelement den Gebermagneten erfassen kann
- AE
- Auswerteeinheit
- G1
- erster Grenzwert
- G2
- zweiter Grenzwert
- T1
- erster Zeitwert
- T2
- zweiter Zeitwert
- Tn
- weiterer Zeitwert
- R1
- erste Richtung
- R2
- zweite Richtung
- Vr
- relative Hubgeschwindigkeit
- DT
- Erkennungsmodus, dynamic teach
- DM
- Diagnosemodus, diagnostic mode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005029224 A1 [0007]
- DE 102010060550 A1 [0008]
