DE10225245A1

DE10225245A1 - Kontraktionseinheit mit Positionssensoreinrichtung

Info

Publication number: DE10225245A1
Application number: DE2002125245
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Reininger
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Es wird eine Kontraktionseinheit mit einem sich zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken (11, 12) erstreckenden und bei Innendruckbeaufschlagung eine Längskontraktion erfahrenden Kontraktionsschlauch (10) vorgeschlagen, der mit einer Positionssensoreinrichtung zur Erfassung des Abstands zwischen den Kopfstücken (11, 12) versehen ist. An wenigstens einem der Kopfstücke (11) sind ein Licht- oder Ultraschallwellen in den Innenraum (13) der Kontraktionseinheit emittierender Sender (17) sowie ein entsprechender Empfänger (18) angeordnet, wobei eine mit dem Sender und dem Empfänger verbundene elektronische Auswerteeinrichtung (19) zur Ermittlung des Abstands zwischen den Kopfstücken (11, 12) aus der gemessenen Laufzeit der Welle zwischen Sender und Empfänger oder der gemessenen Phasenverschiebung zwischen emittierter und empfangener Welle vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kontraktionseinheit mit einem sich zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken erstreckenden und bei Innendruckbeaufschlagung eine Längskontraktion erfahrenden Kontraktionsschlauch.

Derartige Kontraktionseinheiten sind beispielsweise aus dem von der Anmelderin herausgegebenen Prospekt "Fluidic Muscle", der EP 0161750 B1 , der DE 29906626 U , der DE 29908008 U oder der DE 20112633 U bekannt und sind für eine sehr präzise Positionierung bei einfachem und verschleißarmem Aufbau und relativ geringen Kosten geeignet. Dabei können sehr hohe Stellkräfte erzielt werden.

Für die exakte Positionierung werden prinzipiell bei Stellgliedern jeglicher Art Positionssensoren bzw. Lagesensoren benötigt. In Verbindung mit Stellzylindern ist eine Vielzahl derartiger Positionssensoren und Sensoreinrichtungen bekannt, die auf den unterschiedlichsten Messprinzipien beruhen. Diese sind jedoch bei Kontraktionseinheiten der vorstehend genannten Art überwiegend nicht oder sehr schlecht geeignet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine für solche Kontraktionseinheiten gut geeignete und bei hoher Präzision einfach und kostengünstig zu realisierende Positionssensoreinrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kontraktionseinheit mit einer Positionssensoreinrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen insbesondere darin, dass sich derartige Sender und Empfänger für Licht- oder Ultraschallwellen, die bereits sehr kostengünstig in Kleinbauweise im Handel erhältlich ist, besonders einfach an der Innenseite eines der Kopfstücke oder beider Kopfstücke befestigen oder in einem der Kopfstücke integrieren lassen. Durch die Anordnung im Innenraum der Kontraktionseinheit ohne äußere Messelemente wird die Kompakteinheit der Kontraktionseinheit nicht beeinträchtigt, und mechanische Beschädigungen oder Störungen der Positionssensoreinrichtung sind weitgehend ausgeschlossen. Einer der prinzipiellen Vorteile derartiger Kontraktionseinheiten, die vollständige Abdichtung und daher der geringe Verbrauch an Arbeitsfluid, wird durch die Positionssensoreinrichtung nicht beeinträchtigt. Die Messung des Abstands zwischen den Kopfstücken und damit die erfasste Position kann äußerst exakt erfasst werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Kontraktionseinheit möglich.

Der Sender und der Empfänger sind zweckmäßigerweise nebeneinander an einem der Kopfstücke angeordnet oder bilden dort ein Sende-/Empfangsmodul, wobei der Empfänger zur Erfassung der am anderen Kopfstück reflektierten Licht- oder Ultraschallwellen ausgebildet ist. Hierdurch wird die Verdrahtung und Montage vereinfacht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Auswerteeinrichtung eine Phasenvergleichsstufe zum Phasenvergleich des emittierten; in seiner Intensität modulierten Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls, wobei die Phasenverschiebung der Modulation als abstandsabhängige Spannung vorgebbar ist. Hierdurch kann mit geringem Aufwand und unter Verwendung billiger Infrarot-Leuchtdioden eine sehr präzise Abstandsmessung realisiert werden.

Zweckmäßigerweise sind Überlagerungsempfänger für das empfangene Signal und ein dem emittierten Signal entsprechendes Referenzsignal vorgesehen, deren Ausgangssignale der Phasenvergleichsstufe zuführbar sind. Dabei weisen die Überlagerungsempfänger zweckmäßigerweise Frequenzmischer oder Multiplizierer zur Umsetzung der Signale in Niederfrequenzsignale auf.

Zur Erzeugung einer phasen- und damit entfernungsabhängigen Spannung eignet sich ein der Phasenvergleichsstufe nachgeschaltetes Tiefpassfilter.

In einer Ausgestaltung mit Ultraschallwellen besitzt die Auswerteeinrichtung in vorteilhafter Weise Mittel zur Erfassung und Maximumbestimmung des empfangenen Ultraschallsignals.

Der Sender und der daneben angeordnete Empfänger sind zur Optimierung des Signalverlaufs gegenseitig geneigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Kontraktionseinheit bzw. ein Kontraktionselement im Längsschnitt, wobei eines der Kopfstücke mit einem Sender und Empfänger für Ultraschallwellen als Positionssensoreinrichtung versehen ist, und
2 eine alternativ zur in 1 dargestellte Positionssensoreinrichtung, die einen Sender und Empfänger für Lichtwellen sowie eine entsprechende Auswerteschaltung besitzt.
Das zur Vereinfachung nur in 1 dargestellte Kontraktionselement ist lediglich schematisch dargestellt. Eine detailliertere Darstellung findet sich beispielsweise in der eingangs genannten DE 29906626 U . Ein Kontraktionsschlauch 10 aus einem elastischen Gummi- oder Kunststoffmaterial ist beidseitig durch Kopfstücke 11, 12 dichtend verschlossen. In der Wandung des Kontraktionsschlauchs 10 befindet sich üblicherweise eine zur Vereinfachung nicht dargestellte biegeflexible Strangstruktur. Die Verbindung des Kontraktionsschlauchs 10 mit den beiden Kopfstücken 11, 12 erfolgt dergestalt, dass der mit der Strangstruktur versehene Kontraktionsschlauch 10 in der Lage ist, Zugkräfte auf das jeweilige Kopfstück 11, 12 zu übertragen. Die Befestigung kann bei spielsweise im Rahmen einer Klemmverbindung erfolgen, wie sie exemplarisch in der EP 0161750 B1 beschrieben ist. Andere Befestigungsarten sind ebenfalls möglich.
In dem vom Kontraktionsschlauch 10 und den beiden Kopfstücken 11, 12 begrenzten Innenraum 13 mündet in Fluidkanal 14, der eines der Kopfstücke 11 durchsetzt und dessen äußeres Ende mit einer Anschlusseinrichtung 15 versehen ist, über die eine von einer Druckquelle kommende Fluidleitung angeschlossen werden kann. Prinzipiell können auch mehrere Fluidkanäle vorgesehen sein. In Verbindung mit einer nicht dargestellten Steuerventilanordnung besteht somit die Möglichkeit, durch den Fluidkanal 14 hindurch ein fluidisches Druckmedium in den Innenraum 13 einzuspeisen oder aus diesem abzuführen.
1 zeigt den Kontraktionsschlauch 10 im aktivierten Zustand, also bei druckbeaufschlagtem Innenraum 13. In diesem Zustand ist der Kontraktionsschlauch 10 radial aufgeweitet und gleichzeitig axial kontrahiert, so dass die beiden Kopfstücke 11, 12 einander axial angenähert und zueinander gezogen sind. Im deaktivierten Zustand, also bei drucklosem Innenraum 13, nimmt der Kontraktionsschlauch 10 eine im Wesentlichen hohlzylinderähnliche Gestalt an, und die beiden Kopfstücke 11, 12 entfernen sich voneinander. Auf diese Weise lässt sich durch abgestimmte Fluidbeaufschlagung des Innenraums 13 eine axiale Hubbewegung der Kopfstücke 11, 12 relativ zueinander erreichen.
Als Positionssensoreinrichtung zur Erfassung der Relativposition, also des Abstands der beiden Kopfstücke 11, 12 zueinan der, ist gemäß 1 das eine Kopfstück 11 an seiner dem Innenraum 13 zugewandten Seite mit einem Ultraschallmodul 16 versehen, das einen neben einem Sender 17 angeordneten Empfänger 18 zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen besitzt. Das Ultraschallmodul 16 kann am Kopfstück 11 befestigt oder in diesem integriert sein. Zur Abstandsmessung emittiert der Sender 17 Ultraschallwellen, die am gegenüberliegenden Kopfstück 12 reflektiert werden und zum Empfänger 18 zurückgelangen. In einer mit dem Sender 17 und dem Empfänger 18 verbundenen Auswerteeinrichtung 19 wird die Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen Sender und Empfänger gemessen und daraus der Abstand zwischen den beiden Kopfstücken 11, 12, also die Relativposition, abgeleitet. Der ermittelte Messwert wird durch ein Display 20 wiedergegeben und/oder auf sonstige Weise angezeigt oder ausgewertet.
Die Auswerteeinrichtung 19 enthält einen Oszillator, dessen dem Sender 17 zugeführtes Signal dort die Ultraschallwelle erzeugt. Übliche Frequenzen liegen bei ca. 40 kHz. Die Ultraschallsignale werden paketweise abgestrahlt. Nach dem Einschalten des Senders 17 steigt zunächst die Intensität des empfangenen Signals nach sehr kurzer Zeit an. Dies liegt darin begründet, dass der Empfänger 18 direkt das Schaltsignal des Senders 17 detektiert. Erreicht dann später das am gegenüberliegenden Kopfstück 12 reflektierte Schallsignal den Empfänger 18, so nimmt die empfangene Intensität schlagartig zu. Das Maximum wird durch eine in der Auswerteeinrichtung 19 enthaltene Maximalwert-Detektionsstufe erfasst. Die Entfernung zwischen den Kopfstücken 11, 12 ergibt sich aus der Zeit und der Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Medium des Innen raums 13. Da der Schall die doppelte Strecke zurücklegen muss, wird das Ergebnis noch halbiert.
Bei dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel tritt anstelle des Ultraschallmoduls 16 ein Infrarotmodul 21, das einen Sender 22 und einen Empfänger 23 für Lichtwellen, im Beispiel Infrarotlichtwellen, besitzt. Als Sender 22 kann beispielsweise eine Infrarot-Leuchtdiode und als Empfänger 23 eine entsprechende Fotodiode eingesetzt werden.
Auch hier wird das vom Sender 22 emittierte Licht am gegenüberliegenden Kopfstück 12 reflektiert und gelangt dann wieder zum Empfänger 23. Der Sender 22 sendet keine Lichtimpulse, sondern einen kontinuierlichen Lichtstrahl aus, dessen Intensität moduliert ist, beispielsweise sinusförmig moduliert. Bei der Messung wird nicht die Laufzeit des Lichts, sondern die Phasenverschiebung der Modulation des reflektierten Lichtstrahls gemessen. Diese ändert sich mit der Abhängigkeit von der Entfernung der beiden Kopfstücke 11, 12 zueinander.
In einer Auswerteeinrichtung 30 ist ein Senderoszillator 24 mit dem Sender 22 verbunden und erzeugt dort eine Lichtwelle mit entsprechender Frequenz und einer vorgegebenen Modulation. Gleichzeitig wird dieses Oszillatorsignal einem Referenzempfänger 25 zugeführt. Dies kann beispielsweise auch über einen Lichtleiter vom Sender 22 aus erfolgen. Der reflektierte Lichtstrahl gelangt vom Empfänger 23 zu einem Überlagerungsempfänger 26. In beiden Empfängern 25, 26 wird das Empfangs- und Referenzsignal mittels eines Frequenzmischers bzw. Multiplizierers in den Niederfrequenzbereich gebracht. An schließend werden die Phasen der Signale in einer Phasenvergleichsstufe 27 verglichen, beispielsweise mittels Schmitt-Trigger und XOR-Gatter. Ein nachgeschaltetes Tiefpassfilter 28 erzeugt dann eine phasen- und damit entfernungsabhängige Spannung, die einem Display 29 oder einer sonstigen Wiedergabeeinrichtung oder Auswerteeinrichtung zugeführt wird.
Anstelle durch Phasenvergleichsmessung kann selbstverständlich auch bei einer Ausführung mit Lichtwellen eine Laufzeitmessung erfolgen. Anstelle von Infrarotlicht können auch andere Lichtarten verwendet werden, beispielsweise sichtbares Licht, insbesondere Laserlicht. In diesem Falle treten anstelle von Infrarot-Leuchtdioden Laser-Dioden.
Um das Empfangen der Ultraschallsignale oder Lichtsignale zu optimieren, können Sender und Empfänger entsprechend der Entfernung leicht geneigt zueinander am Kopfstück 11 angeordnet sein, um die Strahlführung zu optimieren.
Anstelle der Anordnung von Sender und Empfänger nebeneinander an einem der Kopfstücke 11 kann auch der Sender an einem Kopfstück und der Empfänger am anderen Kopfstück angeordnet werden, was allerdings zu einem größeren Verdrahtungsaufwand führt und vor allem für die Laufzeitmessung in bestimmten Fällen geeignet sein könnte.

Claims

Kontraktionseinheit mit einem sich zwischen zwei beabstandeten Kopfstücken (11, 12) erstreckenden und bei Innendruckbeaufschlagung eine Längskontraktion erfahrenden Kontraktionsschlauch (10) und mit einer Positionssensoreinrichtung zur Erfassung des Abstands zwischen den Kopfstücken (11, 12), die einen an wenigstens einem der Kopfstücke (11) angeordneten, Licht- oder Ultraschallwellen in den Innenraum (13) der Kontraktionseinheit emittierenden Sender (17; 22) sowie einen entsprechenden Empfänger (18; 23) aufweist, wobei eine mit dem Sender (17; 22) und dem Empfänger (18; 23) verbundene elektronische Auswerteeinrichtung (19; 30) zur Ermittlung des Abstands zwischen den Kopfstücken (11, 12) aus der gemessenen Laufzeit der Welle zwischen Sender und Empfänger oder der gemessenen Phasenverschiebung zwischen emittierter und empfangener Welle vorgesehen ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (167; 22) und der Empfänger (18; 23) nebeneinander an einem der Kopfstücke (11) angeordnet sind und dort ein Sende-/Empfangsmodul (16; 21) bilden, wobei der Empfänger (18; 23) zur Erfassung der am anderen Kopfstück (12) reflektierten Licht- oder Ultraschallwelle ausgebildet ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) eine Phasenvergleichsstufe (27) zum Phasenvergleich des emittierten, in seiner Intensität modulierten Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls besitzt, wobei die Phasenverschiebung der Modulation als abstandsabhängige Spannung vorgebbar ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Überlagerungsempfänger (26, 25) für das empfangene Signal und ein dem emittierten Signal entsprechendes Referenzsignal vorgesehen sind, deren Ausgangssignale der Phasenvergleichsstufe (27) zuführbar sind.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerungsempfänger (26, 25) Frequenzmischer oder Multiplizierer zur Umsetzung der Signale in Niederfrequenzsignale aufweisen.
Kontraktionseinheit nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenvergleichsstufe (27) ein Tiefpassfilter (28) nachgeschaltet ist.
Kontraktionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwelle (Lichtstrahl) ein Laserstrahl ist und der Sender als Laser-Diode ausgebildet ist.
Kontraktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwelle (Lichtstrahl) ein Infrarot-Lichtstrahl ist und der Sender (22) als Infrarot-Leuchtdiode ausgebildet ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (19) Mittel zur Erfassung und/oder Maximumbestimmung des empfangenen Ultraschallsignals aufweist.
Kontraktionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (17; 22) und der daneben angeordnete Empfänger (18; 23) gegeneinander geneigt sind.