DE10329045A1

DE10329045A1 - Einrichtung zur Ermittlung mindestens einer Endlagenposition eines Antriebsgliedes, insbesondere eines druckmittelbetriebenen Linear- oder Drehantrieb

Info

Publication number: DE10329045A1
Application number: DE2003129045
Authority: DE
Inventors: Frank Jacobs; Wolfgang Brandes; Ernst-August Meyer; Norbert Fortmann
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: DE10329045B4

Abstract

Einrichtung zur Ermittlung mindestens einer Endlagenposition eines Antriebsgliedes (3), insbesondere eines druckmittelbetriebenen Linear- oder Drehantriebes, 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 Endlagenposition aufweist, wobei die Mittel zur Detektion der Endlagenposition ein im magnetischen Wirkbereich des Permanentmagneten (6) und im Bereich der Endlage des Antriebsgliedes (3) angeordnetes Potentiometerfolienelement (5a, 5b) umfassen, dessen Kontaktelektrode (7) achsparallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes (3) verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten (5a, 5b) betätigbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung mindestens einer Endlagenposition eines Antriebsgliedes, insbesondere eines druckmittelbetriebenen Linear- oder Drehantriebes, das innerhalb eines Antriebsgehäuses und durch Druckmittelbeaufschlagung bewegbar untergebracht ist, wobei das Antriebsglied einen Permanentmagneten zum magnetischen Zusammenwirken mit außerhalb oder am Antriebsgehäuse angeordneten Mitteln zur Detektion der Endlagenposition aufweist.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf den Bereich der Automatisierungstechnik. Beispielsweise bei Pneumatikzylindern als automatisierungstechnische Komponente werden die beiden Endlagenpositionen des Kolbens detektiert, um einer übergeordneten elektronischen Steuereinheit die Information zur vermitteln, ob die Kolbenstange des Pneumatikzylinders in Ergebnis einer Druckmittelbeaufschlagung ausgefahren ist oder eingefahren ist. Mit dieser steuerungstechnischen Information wird der Pneumatikzylinder innerhalb eines Automatisierungssystems koordiniert betrieben.

Wie allgemein bekannt ist, wird als Mittel zur Detektion einer Endlagenposition meist ein Reed-Schalter eingesetzt. Der Reed-Schalter ändert seine elektrische Schaltstellung, wenn dieser in die Nähe eines genügend starken magnetischen Feldes gelangt. Im Falle eines Pneumatikzylinders wird eine solcher Reed-Schalter meist in einer am Zylindergehäuse eingebrachten, entlang des gesamten Zylindergehäuses verlaufenden Nut montiert. Je ein Reed-Schalter ist dabei im Bereich beider Endlagen des Kolbens angeordnet. Die gewünschte, der übergeordneten Steuerung zu meldende Schaltpunkt für die Endlagenposition ist durch ein manuelles Justieren des Reed-Schalters einzustellen. Hierfür ist es erforderlich, mit einem geeigneten Werkzeug den Reed-Schalter zu lösen, um diesen nach erfolgter der Justage wieder zu fixieren. Eine Änderung des Schaltpunktes kann hier also nur über ein manuelles Eingreifen direkt am Pneumatikzylinder bewirkt werden.

Aus der DE 201 06 298 U1 ist eine gattungsgemäße Einrichtung bekannt, bei der dieser Nachteil dadurch verhindert wird, indem ein Positionserfassungsmittel vorgesehen ist, welches ein stabähnliches Gehäuse mit darin untergebrachten Detektionsmitteln aufweist. Die Detektionsmittel können von einem am Kolben angebrachten Permanentmagneten betätigt werden, wenn der Permanentmagnet in eine den Detektionsmitteln radial gegenüberliegende Position gelangt. Wenn der Schaltpunkt für die Endlagenposition geändert werden soll, ist es erforderlich, das stabähnliche Gehäuse gegen ein entsprechend längeres oder kürzeres stabähnliches Gehäuse auszutauschen. Somit entfällt zwar die aufwendige Justage eines einzelnen Reed-Schalters relativ zum Zylindergehäuse.

Ein Nachteil dieser technischen Lösung besteht jedoch darin, dass mit dem Austausch des stabähnlichen Gehäuses ein erhöhter Montageaufwand verbunden ist. Der Vorteil der entfallenden manuellen Justage wird hier durch das Erfordernis entsprechend mehrerer einzelner Gehäuselängen eingeschränkt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Ermittlung mindestens einer Endlage eines Antriebsgliedes zu schaffen, die mit einfachen technischen Mitteln eine Einstellbarkeit des Schaltpunktes ohne manuelle Montage- und Justagemaßnahmen am Antriebsgehäuse ermöglicht.

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 Endlagenposition ein im magnetischen Wirkbereich des Permanentmagneten und im Bereich der Endlage des Antriebsglieds angeordnetes Potentiometerfolienelementumfassen, dessen Kontaktelektrode achsparallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten örtlich konzentriert betätigbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass allein durch Vorgabe eines Widerstandswerts, welcher einen Wegpunkt im Endlagenbereich definiert, der Schaltpunkt im gesamten Endlagenbereich elektronisch gesetzt werden kann. Eine entsprechende – vorzugsweise außerhalb des Antriebsgehäuses anzuordnende – Steuerelektronik ordnet insoweit jedem Widerstandswert bzw. Spannungswert des Potentiometerfolienelements eine bestimmte Position (Wegpunkt) zu, der im Bereich der Endlage des Antriebsgliedes liegt. 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 den eine dem Bahnverlauf der Widerstandsstrecke folgende Kontaktelektrode aufgebracht ist, die der Widerstandsstrecke getrennt durch einen Isolierrahmen in elektrischem 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 des durch Andrücken des oberen Trägers sich ändernde elektrische Widerstand der Ort des Andrückpunktes über eine entsprechende Auswertelektronik erfassbar ist.

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

Zur Verstärkung der die Kontaktelektrode des Potentiometerfolienelements betätigenden magnetischen Kraft ist vorteilhafterweise 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 kann das mindestens eine Verstärkungselement als eine auf die Betätigungsoberfläche (oberer Träger) des Folienpotentiometerelements aufgebrachte ferrohaltige Kunststofffolie ausgebildet sein. Die Kunststofffolie folgt partiell der Anziehungskraft des im Antriebsglied eingebrachten Permanentmagneten beim Durchfahren des Bereichs der Endlage. Anstelle einer ferrohaltigen Kunststoffolie kann auch ein in geeigneter Weise in ein Behältnis eingeschlossenes ferrohaltiges Fluid verwendet werden.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, das Verstärkungselement als ein auf der Betätigungsoberfläche entlanggleitenden prismatischen Körper auszubilden, beispielsweise einem rechteckförmigem Permanentmagneten. Dieser sollte vorzugsweise entlang seiner Bewegungsrichtung durch geeignete Mittel geführt sein, beispielsweise durch eine Art Käfig. An Stelle eines gleitenden prismatischen Körpers als Verstärkungselement kann das Verstärkungselement auch als abrollender Körper, Bandschlauch oder Kugel ausgebildet sein. Bei diesen alternativen Ausführungsformen 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. An Stelle eines einzelnen Verstärkungselements ist es auch denkbar, eine Reihe von entlang der Betätigungsoberfläche des Potentiometerfolienelements kettenartig aneinanderliegende Verstärkungselemente vorzusehen. Die einzelnen Verstärkungselemente können beispielsweise aus Kugeln, Tonnen oder anderen geeigneten Körpern 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, die aneinanderliegenden einzelnen Körper miteinander zu verbinden, beispielsweise nach Art einer Kette.

Die vorstehend allgemein beschriebene Einrichtung zur Ermittlung von Endlagenpositionen eines Antriebsgliedes 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 das Antriebsglied repräsentiert. Da in der Automatisierungstechnik ein Linearantrieb oder ein Drehantrieb durch seine beiden Endlagenpositionen definiert ist, kommen zur steuerungstechnischen Erfassung der Endlagenpositionen ein jeweils zugeordnetes Potentiometerfolienelement zum Einsatz.

Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass das Potentiometerfolienelement 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 dass 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 beider Endlagenpositionen eines integrierten Antriebsgliedes 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 welchem ein Antriebsglied 3 in Form eines Kolbens längs bewegbar 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 – nicht weiter dargestellte – äußere Druckmittelanschlüsse, mit welchen das innenliegende Antriebsglied 3 wechselseitig beaufschlagbar ist, um ein Ein- oder Ausfahren der Antriebsstange 4 zu bewirken. Die Länge des Pneumatikzylinders 1 definiert den maximal möglichen Hub der Antriebsstange 4.
Weiterhin sind Mittel zur Detektion der beiden Endlagenpositionen vorgesehen, welche im Bereich beider Endlagen angeordnet sind und im Wesentlichen aus je einem Potentiometerfolienelement 5a, 5b bestehen. Die Potentiometerfolienelemente 5a und 5b werden von einem im Antriebsglied 3 integrierten Permanentmagneten 6 magnetisch betätigt, indem eine Kontaktelektrode 7 des Potentiometerfolienelements 6 achsparallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsglieds 3 verläuft und auf eine unterhalb angeordnete Widerstandsbahn 8 niedergedrückt wird, sobald das nach radial außen gerichtete magnetische Feld des Permanentmagneten 6 eine entsprechend örtlich konzentrierte Zugkraft aufbringt. Wenn sich der Permanentmagnet 6 nicht im Wirkungsbereich des Potentiometerfolienelements 5a bzw. 5b befindet, dann bleibt die Kontaktelektrode 7 von der Widerstandsbahn 8 beabstandet. Hierfür dient ein zwischengeordneter Isolierrahmen 9. Für weitere Einzelheiten hinsichtlich des Potentiometerfolienelements 5a und 5b 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 Potentiometerfolienelements 5a, 5b betätigt, ist an der dem Permanentmagneten 6 des Antriebsgliedes 3 gegenüberliegenden Seite des Potentiometerfolienelements 5a, 5b 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''', welche 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 mindestens einer Endlagenposition eines Antriebsgliedes (3), insbesondere eines druckmittelbetriebenen Linear- oder Drehantriebes, das innerhalb eines Antriebsgehäuses (2) und 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 Endlagenposition aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Detektion der Endlagenposition ein im magnetischen Wirkbereich des Permanentmagneten (6) und im Bereich der Endlage des Antriebsgliedes (3) angeordnetes Potentiometerfolienelement (5a, 5b) umfassen, dessen Kontaktelektrode (7) achsparallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes (3) verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten (5a, 5b) örtlich konzentriert betätigbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung der die Kontaktelektrode (7) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) betätigenden magnetischen Kraft an der dem Permanentmagneten (6) des Antriebsgliedes (3) gegenüberliegenden Seite des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) mindestens ein Verstärkungselement (10) in Form eines ferromagnetischen Körpers oder eines anziehend polarisiert ausgerichteten weiteren Permanentmagnet angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10) als eine auf die Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) aufgebrachte ferrohaltige Kunststoffolie ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10'') als ein auf der Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) entlanggleitenden prismatischen Körper ausgebildet ist (2b).
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10') als ein sich auf der Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) abrollender Zylinderkörper, Bandschlauch oder Kugel ausgebildet ist (2a).
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungselement (10''') als eine Reihe von auf der Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) kettenartig aneinanderliegender Körper ausgebildet ist (2c).
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (3) ein Kolben eines Pneumatikzylinders (1) als Linearantrieb ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsglied (3) ein Drehflügel eines pneumatischen Drehantriebs ist.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb bzw. der Drehantrieb genau zwei Endlagenpositionen aufweist, denen jeweils ein einziges Potentiometerfolienelement (5a, 5b) zugeordnet ist.
Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Potentiometerfolienelement (5a, 5b) innerhalb eines in die Wandung des Antriebsgehäuses (2) eingebrachten geschlossenen Kanals untergebracht ist.