DE10247869B4 - Druckmediumsbetätigter Arbeitszylinder - Google Patents

Druckmediumsbetätigter Arbeitszylinder

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    • F15B15/2838Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT with out using position sensors, e.g. by volume flow measurement or pump speed

Abstract

Druckmediumsbetätigter Arbeitszylinder mit einem in einem Zylinderraum (4) zwischen zwei Endstellungen längsverschieblichen Kolben (16), mit zwei den Zylinderraum (4) endseitig verschließenden Endteilen (1, 2), die Einrichtungen (13, 14) zur Zu- und Ableitung von Druckmedium in die beiden von dem Kolben und dem jeweiligen Endteil begrenzten Zylinderkammern (4a, 4b) aufweisen, mit einer mit dem Kolben (6) verbundenen Kolbenstange (7), die durch zumindest eines der Endteile abgedichtet durchgeführt ist und mit einem Differenzdruckaufnehmer (18), der mit den beiden Zylinderkammern (4a, 4b) über eigene Leitungsmittel (20, 21, 22, 23, 24) verbunden ist, wobei der Differenzdruckaufnehmer (18) einen Signalausgang (27) für ein von dem jeweiligen Differenzdruck zwischen der Druckmediumsbeaufschlagung der beiden Zylinderkammern (4a, 4b) abhängiges elektrisches Ausgangssignal aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdrucknehmer (18) Differenzdrucksensormittel (19) und eine diesem zugeordnete elektronische Signalsensorschaltung (190) zur Erzeugung des elektrischen Ausgangssignals aufweist, die beide in einem der Enteile (1, 2) angeordnet sind, dass die zu den Differenzdrucksensormitteln...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen druckmediumsbetätigten Arbeitszylinder mit einem in einem Zylinderraum zwischen zwei Endstellungen längsverschieblichen Kolben und mit zwei den Zylinderraum endseitig verschließenden Endteilen, die Einrichtungen zur Zu- und Ableitung von Druckmedium in die beiden von dem Kolben und dem jeweiligen Endteil begrenzten Zylinderkammern aufweisen. Mit dem Kolben ist eine Kolbenstange verbunden, die durch zumindest eines der Endteile abgedichtet durchgeführt ist.
  • Die Druckmediumsbeaufschlagung der beiden Zylinderkam mern eines solchen Arbeitszylinders erfolgt in der Regel von einer Druckmediumsquelle aus über ein 5/2-Wege-Steuerventil. Dabei wird durch eine unterschiedliche Druckbeaufschlagung der beiden Zylinderkammern eine Bewegung des Kolbens und damit der Kolbenstange erzeugt. Die an der Kolbenstange zur Verfügung stehende Kraft ist direkt proportional der Druckdifferenz in den beiden Zylinderkammern.
  • In der Praxis und aus der DE 19633369C2 ist es bekannt den Differenzdruck zwischen den beiden Zylinderkammern betriebsmäßig zu messen und aus dem Messwert eine Information über die Stellung des Kolbens bezüglich der Endteile des Arbeitszylinders, insbesondere beim Einfahren des Kolbens in eine Endlage zu gewinnen. Dazu wird ein Differenzdruckaufnehmer verwendet, dessen Differenzdrucksensorteil druckeingangsseitig mit den Druckleitungen verbunden ist, die das 5/2-Wege-Ventil mit den in den Endteilen des Arbeitszylinders vorhandenen Anschlüssen für die Zu- und Ableitung des Druckmediums in bzw. von der jeweiligen Zylinderkammer verbinden. Der Druckaufnehmer und die diesem zugeordnete elektronische Auswerteschaltung, die ein für die jeweilige Druckdifferenz kennzeichnendes Ausgangssignal abgibt, sind getrennt von dem Arbeitszylinder angeordnet. Die Länge der Druckleitungen zu dem Differenzdruckaufnehmer ist häufig auf die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten des Einsatzzweckes abgestimmt.
  • Durch die Anordnung des Differenzdrucksensors außerhalb des Zylinders treten aber bei der Differenzdruckmessung Zeitverzögerungen auf, die bei zeitkritischen Prozessen für die der Arbeitszylinder eingesetzt ist, nicht zu vernachlässigen sind. Es ergeben sich strömungstechnisch bedingte Messfehler, deren Größe und Natur von der Art der Druckleitungen und der Verbindungsleitungen zu dem Differenzdrucksensor abhängig sind.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb einen druckmediumsbetätigten Arbeitszylinder zu schaffen, bei dem diesen Nachteilen weitgehend abgeholfen ist und zwar ohne dass ein übermäßiger zusätzlicher Herstellungsaufwand erforderlich wäre oder die ordnungsgemäße Funktion des Arbeitszylinders beeinträchtigt würde.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße Arbeitszylinder die Merkmale des Patentanspruch 1 auf.
  • Bei diesem Arbeitszylinder ist der Differenzdruckaufnehmer unmittelbar in einem der Endteile angeordnet und mit den beiden Zylinderkammern über eigene Leitungsmittel verbunden, die zumindest teilweise in den Endteilen ausgebildet sind. Der Differenzdruckaufnehmer weist einen an dem ihm zugeordneten Endteil vorgesehenen Signalausgang für ein von dem jeweiligen Differenzdruck zwischen der Druckmediumsbeaufschlagung der beiden Zylinderkammern abhängiges elektrisches Ausgangssignal auf.
  • Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass zur Vermeidung von strömungstechnischen Fehlern bei der Druckmessung es optimal wäre den Druck in der jeweiligen Zylinderkammer unmittelbar an der Kolbenfläche zu messen. Dies ist aber wegen der zu dem Drucksensor führenden elektrischen Verbindungsleitungen nicht ohne Weiteres möglich. Wenn aber der Differenzdrucksensor unmittelbar in einem der Endteile integriert ist und über eigene definierte Leitungsmittel mit den beiden Zylinderkammern in Verbindung steht, lässt sich eine sehr genaue Differenzdruckmessung erzielen, die die Druckverhältnisse in den Zylinderkammern weitgehend verzögerungsfrei wiedergibt. Für bestimmte Anwendungen von Arbeitszylindern ist es notwendig den zu erreichenden Differenzdruck, der der entsprechenden Kraft an der Kolbenstange proportional ist, während der Kolbenbewegung ständig zu variieren, um damit eine optimale Anpassung an schwankende Druckanforderungen zu erzielen. Auch dies ist bei dem neuen Arbeitszylinder ohne Weiteres möglich.
  • In einer zweckmäßigen Ausführungsform ist der Differenzdruckaufnehmer in einer Ausnehmung des ihm zugeordneten Endteils angeordnet, die, wenn bspw. die Stirnfläche des Enteils für Befestigungszwecke oder dergleichen freigehalten werden soll, mit Vorteil eine an einer Seitenwand des Endteils mündende Öffnung aufweist, welche nach der Montage in der Regel abgedichtet verschlossen wird. Der Differenzdruckaufnehmer weist Differenzdrucksensormittel und eine diesen zugeordnete elektronische Signalauswerteschaltung auf, die das elektrische Ausgangssignal erzeugt. Die elektronische Auswerteschaltung kann auf einem elektrischen Träger, bspw. in Gestalt einer Leiterplatte, angeordnet sein, der seinerseits in dem Endteil des Arbeitszylinders untergebracht ist. Das kann in der Weise geschehen, dass der Träger und die elektronische Auswerteschaltung zusammen mit dem Drucksensor in der vorerwähnten Ausnehmung des Endteils angeordnet sind und dass die Ausnehmung nach außen hin durch Anschlussmittel, etwa in Gestalt einer elektrischen Anschlusssteckbuchse, verschlossen ist über die das elektrische Ausgangssignal abgebbar ist.
  • Die elektronische Auswerteschaltung kann ein den gemessenen Differenzdruck unmittelbar wiedergebendes elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Wenn es aber darum geht nur ein Signal zu erhalten, das die Erreichung der Endposition durch den Kolben anzeigt, ist es zumeist ausreichend einen fest eingestellten Sollwert mit dem gemessenen Differenzdruck zu vergleichen. Zu diesem Zwecke kann die elektronische Auswerteschaltung eine ein von den Drucksensormitteln abgegebenes Differenzdrucksignal mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichende Vergleichsschaltung enthalten, wobei das Ausgangssignal wenigstens zwei für das Ergebnis des Sollwert/Istvergleiches kennzeichnende, voneinander verschiedene Signalzustände aufweist.
  • Der Differenzdruckaufnehmer kann an sich in jedem der beiden Endteile des Arbeitszylinders untergebracht werden, doch ist es häufig von Vorteil, wenn er in dem der Kolbenstange abgewandten Endteil untergebracht ist. Die die Drucksensormittel mit den beiden Zylinderkammern verbindenden Leitungsmittel enthalten in der Regel eine zwischen den beiden Endteilen verlaufende, außerhalb des Zylinderraums angeordnete Leitung. Diese Leitung kann auch innerhalb des Umrisses der Endteile verlaufend angeordnet sein. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen diese Leitung innerhalb des Zylinderraums verläuft und dabei gegenüber dem Kolben abgedichtet ist. Beispielsweise bei Arbeitszylindern, deren Zylinderraum aus besonderen Gründen eine als Verdrehsicherung für den Kolben wirkende Führungsstange enthält (vergleiche bspw. DE-GBM 200 21 520) kann eine solche Führungsstange unmittelbar als Verbindungsleitung ausgebildet werden.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • 1 einen Arbeitszylinder gemäß der Erfindung im Längsschnitt, in einer Seitenansicht und in schematischer Darstellung,
  • 2 die elektronische Auswerteschaltung des Differenzdruckaufnehmers des Arbeitszylinders nach 1, in einer Darstellung als Blockschaltbild,
  • 3 ein Endteil des Arbeitszylinders nach 1 in einer abgewandelten Ausführungsform und in perspektivischer Darstellung und
  • 4 einen Ausschnitt des Endteils nach 3 mit herausgenommener elektronischer Auswerteschaltung, in perspektivischer Teildarstellung und in einem anderen Maßstab.
  • Der in 1 schematisch dargestellte Arbeitszylinder weist zwei in Gestalt rechteckiger Platten ausgebildete Endteile 1, 2 auf, die jeweils abgedichtet mit einem sich dazwischen erstreckenden Zylinderrohr 3 verbunden sind, das gemeisnam mit den Endteilen 1, 2 einen Zylinderraum 4 begrenzt. In dem Zylinderraum 4 ist ein randseitig bei 5 gegen das Zylinderrohr 3 abgedichteter, kreiszylindrischer Kolben 6 längsverschieblich gelagert, der mit einer koaxialen Zylinderstange 7 starr verbunden ist. Die kreiszylindrische Zylinderstange 7 ist durch eine entsprechende Öffnung 8 des Endteils 1 nach außen geführt und durch eine Dichtung 9 gegen das Endteil 1 abgedichtet. Eine die Bohrung 9 begrenzende Lagerbüchse ist mit 10 bezeichnet. Die beiden Endteile sind über vier gleichmäßig rings um die Achse 11 der Kolbenstange 7 und des Kolben 6 verteilt angeordnete Zuganker 12 axial gegeneinander verspannt. In den beiden Endteilen 1, 2 ist jeweils ein mit einem Gewinde anschluss 13 für eine nicht dargestellte Druckmediumsleitung versehener Druckmediumzu- und -ableitungskanal 14 ausgebildet, der mit einer zu der Achse 11 achsparallelen Bohrung 15 in dem Endteil 1 bzw. zu der Achse 11 koaxialen Bohrung 16 in dem Endteil 2 in Verbindung steht.
  • Der Zylinderraum 4 ist durch den Kolben 6 in zwei Zylinderkammern 4a, 4b unterteilt, die durch den Kolben und jeweils eines der Endteile 1, 2 axial begrenzt sind. Die Bohrung 15 des Druckmediumszu- und -ableitungskanals 14 in dem Endstück 1 mündet in die eine Zylinderkammer 4a, während der Druckmediumszu- und -ableitungskanal 14 in dem anderen Endteil 2 über die Bohrung 16 in die andere Zylinderkammer 4b mündet.
  • In dem der Kolbenstange 7 abgewandten Endteil 2 ist eine Ausnehmung in Gestalt einer Bohrung 17 vorgesehen, die auf der dem Druckmediumszu- und -ableitungskanal 14 gegenüberliegenden Seite des Endteils 2 mündet. In die Ausnehmung 17 ist ein Differenzdruckaufnehmer 18 eingesetzt, der einen bei 19 schematisch angedeuteten Differenzdrucksensor und eine diesem zugeordnete elektronische Signalauswerteschaltung 190 aufweist, deren Einzelheiten anhand von 2 noch erläutert werden. Der Differenzdrucksensor 19 ist mit den beiden Zylinderkammern 4a, 4b über eigene Leitungsmittel verbunden, die von dem Druckmediumszu- und -ableitungskanal 14 in den beiden Endteilen 1, 2 unabhängig sind. Diese Leitungsmittel weisen in dem Endteil 2 einen unmittelbaren zu dem Differenzdrucksensor 19 führenden, zu der Achse 11 parallelen Kanal 20 auf, der von der Zylinderkammer 4b abgeht. In dem anderen Endteil 1 ist ein in die andere Zylinderkammer 4a mündender, zweiter Kanal 21 vorgesehen, der ebenfalls zu der Achse 11 parallel ist und über einen Kanalabschnitt 22 in eine seitlich an das Endteil 1 abgedichtete angeschlossene Druckleitung 23 mündet, die über einen in dem Endteil 2 ausgebildeten, bei 24 mit seiner Achse strichpunktiert angedeuteten Druckkanal zu dem Differenzdrucksensor 19 führt. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist die im Wesentlichen L-förmig ausgebildete Druckleitung 23 seitlich an das Endstück 1 angesetzt, während die Verbindung mit dem Endteil 2 über ein an dieses seitlich abgedichteter, angeflanschtes Anschlussstück 25 erfolgt, das auch einen in die Druckleitung 23 mündenden Teil des Druckkanals 24 enthält, wie dies 1 zeigt.
  • Die Ausnehmung 17 erstreckt sich durch das Anschlussteil 25 und ist nach außen hin abgedichtet durch eine elektrische Anschlusssteckbuchse 26 verschlossen, die elektrische Anschlüsse in Gestalt von Steckerstiften 27 (3) für die elektronische Auswerteschaltung 190 enthält.
  • Da der Differenzdrucksensor 19 über die genau definierten Druckkanäle 20, 21, 24 ebenfalls genau definierte Druckleitung 23 unmittelbar mit den Zylinderkammern 4a, 4b in Verbindung steht, kann ohne große Zeitverzögerung der in den beiden Zylinderkammern herrschende Differenzdruck in dem Sensor direkt ermittelt werden. Der Differenzdrucksensor 19 ist nach außen hin abgedichtet und steht elektrisch mit der elektronischen Auswerteschaltung 190 in Verbindung. Über die Steckerstifte 27 der Anschlusssteckbuchse 26 gibt die Auswerteschaltung 190 nach außen ein elektrisches Ausgangssignal ab, das für den jeweiligen Differenzdruck zwischen der Druckmediumsbeaufschlagung der beiden Zylinderkammern 4a, 4b kennzeichnend ist.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild des Differenzdrucksensors 19 und der elektronischen Auswerteschaltung 190. Die Drücke P1, P2 in den beiden Zylinderkammern 4a, 4b werden in einer Messzelle 19a des Differenzdrucksensors 19 erfasst, der ein analoges, elektrisches Differenzdrucksignal abgibt. Dieses Differenzdrucksignal wird einer Vergleichsschaltung 28 zugeleitet, in der das Differenzdrucksignal der Messzelle 19a mit einem über eine Leitung 29 extern vorgegebenen Sollwert verglichen wird. Ist der gemessene Differenzdruck größer als der Sollwert, wird an einem Signalausgang 30 ein Ausgangssignal mit einem ersten Signalzustand (z.B. Signalwert 0) abgegeben; ist der gemessene Differenzdruck kleiner als der vorgegebene Sollwert, so wird ein zweiter Signalzustand 1 (z.B. 5V) ausgegeben. In einem nachgeschalteten Verstärker 31 wird das jeweilige Ausgangssignal entsprechend verstärkt und zu einem äußeren Signalausgang geleitet, der im vorliegenden Falle einer der Steckerstifte 27 ist.
  • Bei 32 ist die Spannungsversorgungsstufe angedeutet, deren Eingang ebenfalls an einen der Steckerstifte 27 angeschlossen ist über den die Versorgungsspannung U zugeleitet wird. Auch die Sollwertleitung 29 führt zu einem der Steckerstifte 27.
  • In den 3, 4 ist eine gegenüber der schematischen Darstellung nach 1 leicht abgewandelte Ausführungsform der Endteile 1, 2 veranschaulicht, wobei lediglich das Endteil 2 dargestellt ist. Der übrige Aufbau des Arbeitszylinders ist im Wesentlichen gleich wie in 1 und deshalb nicht weiter erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Das in Gestalt eine quadratischen Platte ausgebildete Endteil 2 ist mit den Bohrungen 12a für die Zuganker 12 ausgebildet. Der Umriss des Zylinderrohrs 3 lässt sich aus der kreisrunden Zylinderrohrdichtung 33 ersehen, auf die im montierten Zustand das Zylinderrohr 3 aufgesetzt ist. Seitlich neben einer der Zugankerbohrungen 12a mündet der zu dem nicht sichtbaren Differenzdrucksensor 19 führende Druckkanal 24, an den die hier nur gestrichelt angedeutete Druckleitung 23 angeschlossen ist. Die als gerades Rohrstück ausgebildete Druckleitung 23 liegt somit innerhalb des Umrisses des quadratischen Endteils 2, so dass das Anschlussstück 25 der 1 entfällt. Das nicht dargestellte andere Endteil 1 ist mit einer entsprechend angeordneten Mündung des Kanals 22 (1) ausgebildet. Alternativ könnte die Druckleitung auch in einem entsprechend eingeformten Kanal innerhalb eines einstückigen Profils verlaufen, das das Zylinderrohr 3 bildet. Ein solcher eingeformter Kanal ist in 1 bei 23a angedeutet.
  • Wie insbesondere auch aus 4 zu entnehmen, ist die Ausnehmung 17 mit einer auf einer Seitenfläche des Endteils 2 mündenden zylindrischen Aufnahmebohrung 17a ausgebildet, die eine leistenförmige Leiterplatte 34 aufnimmt, welche die elektronische Auswerteschaltung 190 trägt und mit der Anschlusssteckbuchse 26 fest verbunden ist, so dass diese Teile als Ganzes in die Aufnahmebohrung 17a eingeschoben werden können, die sodann durch die Anschlusssteckbuchse 26 abgedichtet verschlossen wird.
  • Der Drucksensor 19 ist in einem mit der Aufnahmebohrung 17a in Verbindung stehenden, kammerartigen Teil der Ausnehmung 17 untergebracht und über elektrische Leitungen 36 mit der Auswerteschaltung 190 verbunden. Zur Erleichte rung der Montage ist der den Drucksensor 19 enthaltende kammerartige Teil durch einen zylindrischen Deckel 37 verschlossen, der die Mündung des Druckkanals 20 enthält und von der Zylinderraumseite her mit dem Endteil 2 abgedichtet verschraubt ist. Ein Blick auf 4 zeigt die einfachen Montageverhältnisse des Differenzdruckaufnehmers 190. Außerdem ist aus 3 zu entnehmen, dass der Arbeitszylinder mit dem in ein Endteil integrierten Differenzdruckaufnehmer sich durch einen einfachen übersichtlichen Aufbau auszeichnet und keinen zusätzlichen Platzbedarf aufweist.
  • Der druckmediumsbetätigte Arbeitszylinder kann sowohl als Pneumatikzylinder als auch als hydraulischer Zylinder ausgebildet sein.

Claims (10)

  1. Druckmediumsbetätigter Arbeitszylinder mit einem in einem Zylinderraum (4) zwischen zwei Endstellungen längsverschieblichen Kolben (16), mit zwei den Zylinderraum (4) endseitig verschließenden Endteilen (1, 2), die Einrichtungen (13, 14) zur Zu- und Ableitung von Druckmedium in die beiden von dem Kolben und dem jeweiligen Endteil begrenzten Zylinderkammern (4a, 4b) aufweisen, mit einer mit dem Kolben (6) verbundenen Kolbenstange (7), die durch zumindest eines der Endteile abgedichtet durchgeführt ist und mit einem Differenzdruckaufnehmer (18), der mit den beiden Zylinderkammern (4a, 4b) über eigene Leitungsmittel (20, 21, 22, 23, 24) verbunden ist, wobei der Differenzdruckaufnehmer (18) einen Signalausgang (27) für ein von dem jeweiligen Differenzdruck zwischen der Druckmediumsbeaufschlagung der beiden Zylinderkammern (4a, 4b) abhängiges elektrisches Ausgangssignal aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdrucknehmer (18) Differenzdrucksensormittel (19) und eine diesem zugeordnete elektronische Signalsensorschaltung (190) zur Erzeugung des elektrischen Ausgangssignals aufweist, die beide in einem der Enteile (1, 2) angeordnet sind, dass die zu den Differenzdrucksensormitteln (19) führende Leitungsmittel (20, 21) zumindest teilweise in den Endteilen ausgebildet sind und dass der Signalausgang (26) an dem Endteil vorgesehen ist.
  2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruckaufnehmer (18) in einer Ausnehmung (17) des ihm zugeordneten Endteils angeord net ist.
  3. Arbeitszylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (17) eine an einer Seitenwand des Endteils mündende Öffnung aufweist.
  4. Arbeitszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteschaltung (190) auf einem Träger (34) angeordnet ist, der an dem Endteil (2) angeordnet ist.
  5. Arbeitszylinder nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (34) der elektronische Auswerteschaltung zusammen mit den Drucksensormitteln (19) in der Ausnehmung (17) des Endteils angeordnet ist und dass die Ausnehmung nach außen hin durch Anschlussmittel (26) verschlossen ist über die das elektrische Ausgangssignal abgebbar ist.
  6. Arbeitszylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Auswerteschaltung (190) eine ein von den Drucksensormitteln abgegebenes Differenzdrucksignal mit einem vorgegebenen Sollwert vergleichende Vergleichsschaltung (28) enthält und das Ausgangssignal wenigsten zwei für das Ergebnis des Sollwert/Istwert-Vergleiches kennzeichnende, voneinander verschiedene Signalzustände aufweist.
  7. Arbeitszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzdruckaufnehmer (18) in dem der Kolbenstange (7) abgewandten Endteil (2) angeordnet ist.
  8. Arbeitszylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel eine zwischen den beiden Endteilen (1, 2) verlaufende außerhalb des Zylinderraums (4) angeordnete Leitung (23) aufweisen.
  9. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel eine zwischen den beiden Endteilen (1, 2) verlaufende, innerhalb des Zylinderraums (4) angeordnete Leitung aufweisen.
  10. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel eine innerhalb eines einstückigen Profils zwischen den beiden Endteilen (1, 2) verlaufende Leitung aufweisen.
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