DE10225246A1

DE10225246A1 - Kontraktionseinheit mit Positionssensoreinrichtung

Info

Publication number: DE10225246A1
Application number: DE10225246A
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: 2004-01-08
Also published as: US20050139063A1; DE50301694D1; ATE310165T1; JP2005529321A; EP1511941A1; EP1511941B1; US7104182B2; WO2003104659A1

Abstract

Es wird eine 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) vorgeschlagen. Diese Positionssensoreinrichtung weist einen an einem der Kopfstücke (11) angeordneten, Mikrowellen in den Innenraum (13) der Kontraktionseinheit emittierenden Mikrowellengenerator (16) auf, wobei eine Auswerteeinrichtung (17-21) zur Ermittlung des Abstands zwischen den Kopfstücken durch Laufzeitmessung, Phasenvergleich der emittierten und reflektierten Welle oder Resonanzfrequenzbestimmung 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 ein derartiger Mikrowellengenerator, der bereits sehr kostengünstig in Kleinbauweise im Handel erhältlich ist, sehr einfach an der Innenseite eines der Kopfstücke befestigen oder in einem der Kopfstücke integrieren lässt. 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 Mikrowellengenerator ist in vorteilhafter Weise auch als Mikrowellenempfänger ausgebildet, damit die reflektierten Mikrowellen mit demselben kleinvolumigen Bauteil erfasst werden können. Dies führt zur Vereinfachung der elektrischen Anschlüsse der Positionssensoreinrichtung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Auswerteeinrichtung Mittel zum Phasenvergleich des emittierten Mikrowellensignals und des am gegenüberliegenden metallischen Kopfstück reflektierten Mikrowellensignals sowie zur Phasendifferenzbestimmung als Maß für den Abstand. Die Messgenauigkeit liegt dadurch im Bereich einer halben Wellenlänge.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besitzt die Auswerteeinrichtung einen Frequenzgenerator zur variablen Einstellung der Mikrowellenfrequenz, wobei ein Resonanzdetektor zur Erfassung der Resonanzfrequenz vorgesehen ist. Hierzu ist der Frequenzgenerator zweckmäßigerweise als Rampengenerator ausgebildet, wobei bei Erkennung der Resonanzfrequenz durch den Resonanzdetektor die dann vorliegende Frequenz als Maß für den Abstand festgehalten wird. Zur Vereinfachung der Auswertung ist ein Frequenzuntersetzer für die Resonanzfrequenz in der Auswerteeinrichtung vorgesehen.

Der Kontraktionsschlauch ist zweckmäßigerweise mit elektrisch leitfähigen Partikeln oder Strangelementen, wie Drähten, versehen, damit die gesamte Kontraktionseinheit zur Beeinflussung der Resonanzfrequenz beiträgt und die gesamte Kontraktionseinheit als Mikrowellen-Hohlleiter dient.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Mikrowellengenerator als Mikrowellen sendende und empfangende Koppelsonde ausgebildet. Alternativ hierzu kann der Mikrowellengenerator auch als Hohlraumresonator mit zum gegenüberliegenden Kopfstück der Kontraktionseinheit hin offenem Resonanzraum ausgebildet sein. Dies führt zu einer guten Bündelung der emittierten Mikrowellen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Kontraktionseinheit bzw. ein Kontraktionselement im Längsschnitt, wobei eines der Kopfstücke mit einem Hohlraumresonator als Positionssensoreinrichtung versehen ist.

Das Kontraktionselement ist in der einzigen Figur zur Vereinfachung 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 in der vorliegenden Ausgestaltung als metallische Strangstruktur ausgebildet sein kann, um die Kontraktionseinheit als Mikrowellen-Hohlleiter auszubilden. Die Wandung kann auch sonstige metallisch leitfähige Partikel enthalten. 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 beispielsweise im Rahmen ei ner Klemmverbindung erfolgen, wie sie exemplarisch in der EP 0161750 B1 beschrieben ist. Andere Befestigungsarten sind ebenfalls möglich.

In den vom Kontraktionsschlauch 10 und den beiden Kopfstücken 11, 12 begrenzten Innenraum 13 mündet ein 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.
Die Figur 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 der beiden Kopfstücke 11, 12 zueinander ist das eine Kopfstück 11 an seiner dem Innenraum zugewandten Seite mit einem Mikrowellen-Hohlraumresonator 16 versehen. Dieser kann am Kopfstück 11 befestigt oder in diesem integriert sein. Der Hohlraumresonator 16 besitzt einen zum gegenüberliegenden Kopfstück 12 hin offenen Resonanzraum, mittels dessen Mikrowellen zum gegenüberliegenden Kopfstück 12 hin emittiert werden. Dort werden sie reflektiert und gelangen wieder zum Hohlraumresonator 16 zurück, der mit einer nicht näher dargestellten entsprechenden Erfassungseinrichtung versehen ist. Ein derartiger Hohlraumresonator zur Abstandsmessung ist in der DE 19807593 A1 näher beschrieben, so dass auf eine detailliertere Darstellung verzichtet werden kann.
Der Hohlraumresonator 16 wird durch einen Rampen-Frequenzgenerator 17 angesteuert, wodurch die Sendefrequenz vorgegeben wird. Der Empfangszweig des Hohlraumresonators 16 ist mit einem Resonanzdetektor 18 verbunden, der beispielsweise aus einem zweistufigen Differenzierer und einem Komparator besteht und laufend überwacht, ob das empfangene Signal eine Resonanz anzeigt. Die Resonanz äußert sich in einer hohen Steilheit des Empfangssignals. Sobald von einer mit dem Rampen-Frequenzgenerator 17 und dem Resonanzdetektor 18 verbundenen Auswerteeinrichtung 19 die Resonanz erkannt wird, wird die rampenartige Freguenzerhöhung gestoppt und beibehalten. Sie wird über einen Frequenzteiler 20 verkleinert und der Auswerteeinrichtung 19 übermittelt und ist ein Maß für den Abstand der beiden Kopfstücke 11, 12 zueinander.
Die Resonanzfrequenz hängt von der Entfernung der beiden Kopfstücke 11, 12 zueinander ab und kann noch durch die leit fähige Wandung des Kontraktionsschlauchs 10 mit beeinflusst werden. Für jeden Zustand des Kontraktionselements liegt eine bestimmte Resonanzfrequenz vor, so dass jeweils lediglich die Sendefrequenz so lange verändert werden muss, bis Resonanzfrequenz und Sendefrequenz übereinstimmen. Die beispielsweise als Detektordiode ausgebildete Empfangseinrichtung des Hohlraumresonators 16 erkennt bei Erreichen der Resonanzfrequenz einen Leistungseinbruch.
Ein von der jeweiligen Resonanzfrequenz auf den Abstand umgerechneter Wert kann auf einem Display 21 angezeigt werden und/oder auf sonstige Weise ausgewertet werden.
Der Frequenzgenerator 17, der Resonanzdetektor 18 und der Frequenzteiler 20 können selbstverständlich auch anstelle als separate Einheiten als Bestandteile der Auswerteeinrichtung 19 ausgebildet sein. Im Übrigen sind auch andere, aus dem angegebenen Stand der Technik bekannte Auswerteeinrichtungen möglich.
Alternativ zum Hohlraumresonator 16 kann der am Kopfstück 11 angeordnete Mikrowellengenerator auch beispielsweise als Koppelsonde ausgebildet sein, wie sie in der DE 19833220 A1 zur Abstandsmessung näher beschrieben ist. Das Mikrowellensignal wird über eine solche Koppelsonde in den Innenraum des Kontraktionselements 10 eingespeist, wobei in einem ersten Schritt der absolute Abstand zwischen Einspeisepunkt am linken Kopfstück 11 und dem rechten Kopfstück 12 gemessen wird, beispielsweise durch eine Laufzeitmessung des frequenzmodulierten Sendesignals. Anschließend wird eine stehende Welle im Innenraum erzeugt, deren Verschiebung durch die axiale Lageveränderung der beiden Kopfstücke zueinander erfolgt. Über eine Phasenauswertung des in der Frequenz ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen Ausführung herabgesetzten Signals wird der sich verändernde Abstand zwischen den Kopfstücken gemessen. In der DE 19833220 A1 sind verschiedene Auswerteverfahren beschrieben, die alternativ eingesetzt werden können.

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 einem der Kopfstücke (11) angeordneten, Mikrowellen in den Innenraum (13) der Kontraktionseinheit emittierenden Mikrowellengenerator (16) aufweist, wobei eine Auswerteeinrichtung (17 – 21) zur Ermittlung des Abstands zwischen den Kopfstücken (11, 12) durch Laufzeitmessung, Phasenvergleich der emittierten und reflektierten Welle oder Resonanzfrequenzbestimmung vorgesehen ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator (16) auch als Mikrowellenempfänger ausgebildet ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17 – 21) Mittel zum Phasenvergleich des emittierten Mikrowellensignals und des am gegenüberliegenden metallischen Kopfstück (12) reflektierten Mikrowellensignals sowie zur Phasendifferenzbestimmung als Maß für den Abstand aufweist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (17–21) mit einem Frequenzgenerator (17) zur variablen Einstellung der Mikrowellenfrequenz versehen ist und dass ein Resonanzdetektor (18) zur Erfassung der Resonanzfrequenz vorgesehen ist.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (17) als Rampengenerator ausgebildet ist und bei Erkennung der Resonanzfrequenz durch den Resonanzdetektor (18) die dann vorliegende Frequenz als Maß für den Abstand festgehalten wird.
Kontraktionseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzuntersetzer (20) zur Auswertung der Resonanzfrequenz in der Auswerteeinrichtung vorgesehen ist.
Kontraktionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontraktionsschlauch (10) mit elektrisch leitfähigen Partikeln oder Strangelementen, wie Drähten, versehen ist.
Kontraktionseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator als Mikrowellen sendende und empfangende Koppeldiode ausgebildet ist.
Kontraktionseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellengenerator (16) als Hohlraumresonator mit zum gegenüberliegenden Kopfstück (12) hin offenem Resonanzraum ausgebildet ist.