DE10329044A1

DE10329044A1 - Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes entlang des Hubwegs oder Drehwinkels, insbesondere bei einem druckmittelbetriebenen Linear- bzw. Drehantrieb

Info

Publication number: DE10329044A1
Application number: DE2003129044
Authority: DE
Inventors: Frank Jacobs; Wolfgang Brandes; Ernst-August Meyer; Thomas Liesenhoff
Original assignee: Rexroth Mecman GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-28
Also published as: DE10329044B4

Abstract

Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes (3) entlang des Hubwegs oder Drehwinkels, insbesondere bei einem druckmittelbetriebenen Linear- bzw. Drehantrieb, das innerhalb eines Antriebsgehäuses (2) durch Druckmittelbeaufschlagung bewegbar untergebracht ist, wobei das Antriebsglied (3) einen Permanentmagneten (6) zum magnetischen Zusammenwirken mit außerhalb oder am Antriebsgehäuse (2) angeordneten Mitteln zur Detektion der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes (3) aufweist, wobei die Mittel zur Detektion der aktuellen Stellung ein im magnetischen Wirkbereich des Permanentmagneten (6) und entlang des Hubwegs bzw. Drehwinkels angeordnetes Potentiometerfolienelement (5) umfassen, dessen Kontaktelektrode (7) achsparallel zum Antriebsglied (3) verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten (6) örtlich konzentriert betätigbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes entlang des Hubwegs oder Drehwinkels, insbesondere bei einem druckmittelbetriebenen Linear- bzw. Drehantrieb, das innerhalb eines Antriebsgehäuses durch Druckmittelbeaufschlagung bewegbar untergebracht ist, wobei das Antriebsglied einen Permanentmagneten zum magnetischen Zusammenwirken mit außerhalb oder am Antriebsgehäuse angeordneten Mitteln zur Detektion der aktuellen Stellung des Antriebsgliedes aufweist.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf den Bereich der Automatisierungstechnik. Beispielsweise bei Pneumatikzylindern, als automatisierungstechnische Komponenten wird die aktuelle Stellung des Kolbens als Antriebsglied detektiert, um einer übergeordneten elektronischen Steuereinheit die Information darüber zu vermitteln, in welcher Ausfahrstellung sich die Kolbenstange des Pneumatikzylinders in Ergebnis einer Druckmittelbeaufschlagung befindet. Mit dieser steuerungstechnischen Information wird der Pneumatikzylinder innerhalb eines Automatisierungssystems koordiniert betrieben.

Aus der DE 38 03 268 A1 geht eine gattungsgemäße Einrichtung hervor. Diese besteht im wesentlichen aus einem pneumatischen oder hydraulischen Arbeitszylinder, dessen Zylinderrohr aus einem unmagnetischen Material hergestellt ist und dessen Kolben als Arbeitsglied einen in Achsrichtung der Kolbenstange polarisierten Permanentmagneten aufweist. An der Außenwand des Zylinderrohres ist im Bereich des Druckraums ein weiterer Permanentmagnet vorgesehen, der in einem Gehäuse untergebracht ist, in dem ein Läufer bewegbar ist. Der Läufer weist einen Permanentmagneten auf, der mit dem Permanentmagneten des Kolbens magnetisch gekoppelt ist. Aufgrund dieser magnetischen Kopplung wird die Bewegung des Kolbens synchron auf den Läufer übertragen, der die jeweilige Stellung des Kolbens mit Hilfe eines Zeigers an einem Messstab anzeigt. An der Stellung des Zeigers ist optisch die aktuelle Stellung des Antriebsgliedes innerhalb des Zylinderrohres als geschlossenes Antriebsgehäuses ablesbar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird hier vorgeschlagen, den Zeiger mit einem Schleifer eines linearverstellbaren herkömmlichen Potentiometers zu koppeln, um ein die aktuelle Stellung des Kolbens repräsentierendes elektrisches Signal zu gewinnen, welches mit einer elektronischen Steuereinheit entsprechend auswertbar und weiterverarbeitbar ist.

Ein Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, dass eine solche Kombination eines magnetischen Läufers mit einem herkömmlichen Linear-Potentiometer einen recht großen Bauraum erfordert. Weiterhin kann es im Verbindungsbereich zwischen dem magnetischen Läufer und dem Schleifer des Linear-Potentiometers zu mechanischen Verklemmungen und damit zum Ausfall dieses mechanischen Wegmesssystems kommen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes entlang des Hubweges oder Drehwinkels zu schaffen, die mit einfachen technischen Mitteln bauraumsparend eine zuverlässige Wegmessung gewährleistet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur Detektion der aktuellen Stellung des Antriebgliedes ein im magnetischen Wirkbereich des Permanentmagneten des Antriebsgliedes und entlang dessen Hubwegs bzw. Drehwinkels angeordnetes Potentiometerfolienelement umfassen, dessen Kontaktelektrode achsparallel zum Antriebsglied verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten örtlich konzentriert betätigbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass mit dem flachbauenden Potentiometerfolienelement eine besonders bauraumsparende Lösung zur Wegmessung darstellbar ist. Das Potentiometerfolienelement kann direkt durch den im Antriebsglied integrierten Permanentmagneten örtlich konzentriert betätigt werden. Damit entfallen gleitreibungsbehaftete zwischengeschaltete Bauelemente im Betätigungskraftfluss, so dass ein Verklemmen von Komponenten der Wegmesseinrichtung nicht zu befürchten ist.

Ein Potentiometerfolienelement, was sich zum Einsatz bei der vorliegenden Erfindung eignet, geht an sich beispielsweise aus der DE 43 35 004 C2 hervor. Das Potentiometerfolienelement besteht aus einem unteren Träger, auf dem eine Widerstandsstrecke aufgebracht ist. Ein oberer Träger ist vorgesehen, auf dem eine dem Bahnverlauf der Widerstandsstrecke folgende Kontaktelektrode aufgebracht ist, die der Widerstandsstrecke getrennt durch einen Isolierrahmen im elektrischen Isolierabstand gegenüberliegt und durch Andrücken des oberen Trägers mit der Widerstandsstrecke in elektrische Verbindung bringbar ist. Entsprechende elektrische Anschlusspole an den Enden der Widerstandsstrecke sowie an der Kontaktelektrode sind vorgesehen, so dass anhand der durch Andrücken des oberen Trägers sich ändernde elektrische Widerstand als Ort des Andrückpunktes über eine entsprechende Auswertelektronik erfassbar ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Betätigung, d. h. dass das Andrücken der Kontaktelektrode an die Widerstandsbahn, magnetisch, nämlich durch den im Antriebsglied eingelassenen Permanentmagneten.

Zur Verstärkung der die Kontaktelektrode des Potentiometerfolienelements betätigenden magnetischen Kraft ist vorteilhafter Weise an der dem Permanentmagneten des Antriebsgliedes gegenüberliegenden Seite des Potentiometerfolienelements mindestens ein Verstärkungselement in Form eines ferromagnetischen Körpers angeordnet. Alternativ zum ferromagnetischen Körper kann hier auch ein anziehend polarisiert ausgerichteter weiterer Permanentmagnet als Verstärkungselement vorgesehen werden.

Im einfachsten Falle ist das mindestens eine Verstärkungselement als eine auf die Betätigungsoberfläche (oberer Träger) das Folienpotentiometerelements aufgebrachte ferrohaltige Kunststofffolie ausgebildet. Die Kunststofffolie folgt partiell der Anziehungskraft des im Antriebsglied eingebrachten Permanentmagneten beim Durchfahren des Hubwegs.

Anstelle einer ferrohaltigen Kunststofffolie kann auch ein in geeigneter Weise in ein Behältnis eingeschlossenes Fluid verwendet.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, das Verstärkungselement als ein auf der Betätigungsoberfläche entlanggleitenden prismatischen Körper auszubilden, beispielsweise einem rechteckförmigen Permanentmagneten. Dieser sollte vorzugsweise entlang seiner Bewegungsrichtung durch geeignete Mittel geführt sein, beispielsweise durch eine Art Käfig. Anstelle eines gleitenden prismatischen Körpers als Verstärkungselement kann das Verstärkungselement auch als abrollender Körper, Bandschlauch oder Kugel ausgebildet sein. Bei dieser alternativen Ausführungsform für ein Verstärkungselement ist lediglich Rollreibung zwischen den in Kontakt stehenden Oberflächen vorhanden, so dass die Bewegung des Verstärkungselements unter geringerem magnetischen Kraftaufwand erfolgen kann. Anstelle eines einzelnen Verstärkungselements ist es auch denkbar, eine Reihe von entlang der Betätigungsoberfläche des Potentiometerfolienelements kettenartig aneinanderliegender Verstärkungselemente vorzusehen. Die einzelnen Verstärkungselemente können beispielsweise aus Kugeln, Tonnen oder andere geeignete Körper bestehen. Vorzugsweise sollten die kettenartig aneinanderliegenden Körper ebenfalls mit einer Art Käfig umfasst werden, um ihre relative Lage zueinander und zur Betätigungsoberfläche des Potentiometerfolienelements unveränderbar zu bestimmen. Hierbei ist es nicht erforderlich, dass die aneinanderliegenden einzelnen Körper miteinander zu verbinden, beispielsweise nach Art einer Kette.

Die vorstehend allgemein beschriebene Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes entlang eines Hubwegs oder eines Drehwinkels eignet sich – wie bereits vorstehend ausgeführt – insbesondere zum Einsatz bei einem Pneumatikzylinder als Linearantrieb, dessen Kolben das Antriebsglied repräsentiert. Daneben ist es auch möglich, die vorliegende Erfindung bei einem pneumatischen Drehantrieb zum Einsatz zu bringen, wobei der Drehflügel des Drehantriebs als Antriebsglied fungiert.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernde Maßnahme ist vorgesehen, dass das Potentiometerfolienelement, ggf. mit Verstärkungselement, innerhalb eines in die Wandung des Antriebsgehäuses eingebrachten, geschlossenen Kanals untergebracht ist. Störende Umwelteinflüsse, insbesondere mechanische Beschädigungen des empfindlichen Potentiometerfolienelements, können somit wirkungsvoll verhindert werden, ohne das die Funktion des Potentiometerfolienelements beeinträchtigt wird.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
1 eine perspektivische, schematische Darstellung eines Pneumatikzylinders als Linearantrieb, welcher mit einer Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung des innenliegenden Kolbens ausgestattet ist,
2a eine perspektivische, schematische Ansicht der Einrichtung nach 1 mit einem Verstärkungselement in einer ersten Ausführungsform,
2b eine perspektivische, schematische Ansicht der Einrichtung nach 1 mit einem Verstärkungselement in einer zweiten Ausführungsform und
2c eine perspektivische, schematische Ansicht der Einrichtung nach 1 mit einem Verstärkungselement in einer dritten Ausführungsform.
Gemäß 1 besteht der hier als Pneumatikzylinder 1 ausgebildete Linearantrieb im wesentlichen aus einem Antriebsgehäuse 2, in welchen ein Antriebsglied 3 in Form eines Kolbens längsbewegbar untergebracht ist. Vom Antriebsglied 3 aus verläuft eine Antriebsstange 4, hier eine Kolbenstange, welche das Antriebsgehäuse 2 zu einer Seite hin abgedichtet durchdringt, um die mit dem Pneumatikzylinder 1 erzeugte mechanische Kraft nach außen hin weiterzugeben. Die Krafterzeugung erfolgt in herkömmlicher Weise über – hier nicht weiter dargestellte – äußere Druckmittelanschlüsse, mit welchen das innenliegende Antriebsglied 3 wechselseitig beaufschlagbar ist, um ein Ein- oder Ausfahren der Antriebsstange zu bewirken. Die Länge des Pneumatikzylinders 1 definiert den maximal möglichen Hub der Antriebsstange 4.
Weiterhin sind Mittel zur Erfassung der aktuellen Stellung des Antriebsgliedes 3 innerhalb des Antriebsgehäuses 2 vorgesehen, welche im Wesentlichen aus einem Potentiometerfolienelement 5 bestehen, das sich entlang des Antriebsgehäuses 2, und damit des Hubweges, erstreckt. Das Potentiometerfolienelement 5 wird von einem im Antriebsglied 3 integrierten Permanentmagneten 6 magnetisch betätigt, in dem eine Kontaktelektrode 7 des Potentiometerfolienelements 5 achsparallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes 3 verläuft und auf eine unterhalb angeordnete Widerstandsbahn 8 niedergedrückt wird, sobald das nach radial außengerichtete magnetischen Feld des Permanentmagneten 6 eine entsprechend örtlich konzentriert Zugkraft aufbringt. Wenn sich der Permanentmagnet 6 nicht im Wirkungsbereich des Potentiometerfolienelements 5 befindet, dann bleibt die Kontaktelektrode 7 von der Widerstandsbahn 8 beabstandet. Hierfür dient ein zwischengeordneter Isolierrahmen 9. Für weitere Einzelheit hinsichtlich des Potentiometerfolienelements 5 wird an dieser Stelle voll inhaltlich auf die DE 43 35 004 C2 verwiesen, welche Aufbau und Funktion eines Potentiometerfolienelements der Gattung nach näher beschreibt.
Zur Verstärkung der magnetischen Kraft, welche die Kontaktelektrode 7 des Potentiometerfolienelement 5 betätigt, ist an der dem Permanentmagneten 6 des Antriebsgliedes 3 gegenüberliegenden Seite des Potentiometerfolienelements 5 ein Verstärkungselement 10 vorgesehen. Das Verstärkungselement 10 ist hier als eine auf einer oberen Betätigungsoberfläche 11 aufgebrachte ferrohaltige Kunststofffolie ausgebildet.
Gemäß der alternativen Ausführungsform nach 2a kann auch ein nach Art eines Zylinderkörpers ausgebildetes Verstärkungselement 10' verwendet werden. Der Zylinderkörper rollt sich über die Kraftwirkung des im Kolben 3 integrierten Permanentmagneten 6 auf der Betätigungsoberfläche 11 des Potentiometerfolienelements 5 ab und dient dabei der Erzeugung einer örtlich verstärkten Zugkraft. In der durch Pfeil dargestellten Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes 3 erfolgt das Abrollen in der ebenfalls durch Pfeil dargestellten Drehrichtung.
Gemäß der alternativen Ausführungsform nach 2b ist hier ein nach Art eines prismatischen Körpers geformtes Verstärkungselement 10'' vorgesehen, welches in die gezeigte Richtung bewegt wird, wenn sich das Antriebsglied 3 in die ebenfalls durch Pfeil gezeigte Richtung bewegt. Das hier dargestellte Verstärkungselement 10'' gleitet entlang der Betätigungsoberfläche 11 des Potentiometerfolienelements 5.
Die letzte Ausführungsform gemäß 2c zeigt ein aus kettenartig aneinanderliegenden Kugeln gebildetes Verstärkungselement 10''', welches beim Vorbeifahren des Antriebsgliedes 3 durch die magnetische Kraft des Permanentmagneten 6 örtlich konzentriert niedergedrückt werden, um das Potentiometerfolienelement 5 zu einer entsprechenden Signalabgabe zu veranlassen. Die Größe und Form der kettenartig aneinanderliegenden Körper bestimmt die Empfindlichkeit des über das Potentiometerfolienelement 5 gewonnenen Signals.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen. Es sind vielmehr auch eine Reihe von Varianten hiervon denkbar, die vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind. So kann ein Zylinderkörper als Verstärkungselement beispielsweise auch gegen eine Kugel oder einen sogenannten Bandschlauch, der sich über die Betätigungsoberfläche des Potentiometerfolienelements abrollt, ausgetauscht werden. Weiterhin ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht allein beschränkt auf Pneumatikzylinder. Es können hiermit vielmehr auch andere als Linear- oder Drehantriebe ausgebildete Aktoren ausgestattet werden.

1: Pneumatikzylinder
2: Antriebsgehäuse
3: Antriebsglied
4: Antriebsstange
5: Potentiometerfolienelement
6: Permanentmagnet
7: Kontaktelektrode
8: Widerstandsbahn
9: Isolierrahmen
10: Verstärkungselement
11: Betätigungsoberfläche

Claims

Einrichtung zur Ermittlung der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes (3) entlang des Hubwegs oder Drehwinkels, insbesondere bei einem druckmittelbetriebenen Linear- bzw. Drehantrieb, das innerhalb eines Antriebsgehäuses (2) durch Druckmittelbeaufschlagung bewegbar untergebracht ist, wobei das Antriebsglied (3) einen Permanentmagneten (6) zum magnetischen Zusammenwirken mit außerhalb oder am Antriebsgehäuse (2) angeordneten Mitteln zur Detektion der aktuellen Stellung eines Antriebsgliedes (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion der aktuellen Stellung ein im magnetischen Wirkbereich des Permanentmagneten (6) und entlang des Hubwegs bzw. Drehwinkels angeordnetes Potentiometerfolienelement (5) umfassen, dessen Kontaktelektrode (7) achsparallel zum Antriebsglied (3) verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten (6) örtlich konzentriert betätigbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Permanentmagneten (6) des Antriebsgliedes (3) gegenüberliegenden Seite des Potentiometerfolienelements (5) mindestens ein Verstärkungselement (10) in Form eines ferromagnetischer Körper oder eines anziehend polarisiert ausgerichteten weiteren Permanentmagneten angeordnet ist, um die magnetische Kraft zur Betätigung der Kontaktelektrode (7) des Potentiometerfolienelements (5) zu verstärken.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10) als ein auf der Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5) entlanggleitender prismatischer Körper ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10') als ein sich auf der Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5) abrollender Zylinderkörper, Bandschlauch oder Kugel ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10'') als eine Reihe von auf der Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5) kettenartig aneinanderliegender Körper ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (3) ein Kolben eines Pneumatikzylinders als Linearantrieb ist, wobei der Hubweg des Kolbens ermittelbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (3) ein Drehflügel eines pneumatischen Drehantriebs ist, wobei der Drehwinkel des Drehflügels ermittelbar ist.