DE10329045B4

DE10329045B4 - Einrichtung zur Ermittlung mindestens einer Endlagenposition eines Antriebsgliedes, insbesondere eines druckmittelbetriebenen Linear- oder Drehantriebes

Info

Publication number: DE10329045B4
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: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2023-06-28
Also published as: DE10329045A1

Abstract

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) mit einer Widerstandsbahn (8), einem Isolierrahmen (9) und einer dem Bahnverlauf der Widerstandsbahn folgenden Kontaktelektrode (7) umfassen, dessen Kontaktelektrode (7) parallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes (3) verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten (6) örtlich konzentriert betätigbar ist, wobei zur Verstärkung der die Kontaktelektrode (7) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) betätigenden magnetischen Kraft an der dem Permanentmagneten (6) des Antriebsgliedes (3) abgewandten Seite des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) mindestens ein Verstärkungselement (10) in Form...

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 zu 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 ein 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. Der 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 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.

Die Offenlegungsschrift DE 36 44 591 A1 offenbart eine Wegemesseinrichtung zur Feststellung der aktuellen Position eines in einem Gehäuse bewegbaren Bauelements. Diese umfasst einen mit dem Bauelement berührungslos magnetisch gekoppelten Stellschlitten, der mittels eines Schleifkontaktes unmittelbar mit einem entlang der Bahn des Stellschlittens außen am Gehäuse angeordneten Widerstandskörper zusammenwirkt. Der auf diese Weise durch die Position des Bauelements bestimmte, am Widerstandskörper abgreifbare elektrische Widerstand wird dabei in einer Auswerteeinheit unmittelbar zur Wegmessung verwendet. Bei dieser Lösung ergibt sich der Nachteil, dass ein Schleifkontakt erforderlich ist, welcher mit einem Verschleiß behaftet ist und zudem einen mechanischen Bewegungswiderstand aufweisen kann, sodass bei einer Bewegungsumkehr ein Schleppfehler auftreten kann.

Aus der DE 689 06 835 T2 ist ein Potentiometer bekannt, welches mit verminderter mechanischer Beanspruchung betätigbar ist, mit einer in einer Richtung länglich erstreckten Widerstandsspur, mit einer elektrischen Verbindung an jedem Ende, einem in derselben Richtung länglich erstreckten Kollektorleiter, der gegenüberliegend zur Leitspur angeordnet ist, mit einer dritten Verbindung und einem mobilen Element, welches in der Längserstreckungsrichtung der Widerstandsspur und des Kollektorleiters verschiebbar ist und geeignet ist, einen elektrischen Kontakt zwischen dem Kollektor und der Spur in einer verringerten Zone zu betätigen, deren Position in dieser Richtung eine Funktion der Position des beweglichen Elementes ist, wobei der Kollektor von einem Gewebeband mit elektrischer Leitfähigkeit gebildet ist. Diese Lösung eines Potentiometers zur Positionsbestimmung entlang einer Widerstandsspur umfasst den Nachteil, dass ein mobiles Element erforderlich ist, wobei der magnetische Kontakt „abreißen" kann und die Ausgabe einer richtigen Position erst nach erneutem Überstreichen der losen Position des mobilen Elementes möglich ist.

Aus der Patentschrift DE 43 09 442 C2 ist ein passiver berührungsloser magnetischer Positionssensor bekannt, bestehend aus einem ersten elektrisch nichtleitfähigen Substrat mit einer Widerstandsschicht und einer parallel dazu angeordneten Leiterbahn als Potentiometerabgriff und einem zweiten elektrisch leitfähigen Substrat, wobei mindestens ein Substrat elastisch ausgebildet ist, wobei mindestens ein Substrat eine weichmagnetische Schicht aufweist, eine Magneteinrichtung in Richtung der Leiterbahn mit einem konstanten Abstand geführt ist und beide Substrate einen Abstand aufweisen, dass unter magnetischer Einwirkung eine Berührung entsteht und die Widerstandsschicht und die Leiterbahn Strukturen aufweisen, welche in Bewegungsrichtung der Magneteinrichtung alternierend ineinandergreifen. Diese Anordnung ermöglicht nur eine gestufte Änderung des Messwiderstandes, da die Kontaktierung mittels strukturierter Kontaktelemente erfolgt, und keine stufenlose, ununterbrochene Kontaktierung möglich ist. Somit liefert der Positionssensor nur gequantelte Positionsinformationen, was nur eine eingeschränkte Genauigkeit ergibt.

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 Antriebsgliedes angeordnetes Potentiometerfolienelement mit einer Widerstandsbahn, einem Isolierrahmen und einer dem Bahnverlauf der Widerstandsbahn folgenden Kontaktelektrode umfassen, dessen Kontaktelektrode parallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten örtlich konzentriert betätigbar ist, wobei zur Verstärkung der die Kontaktelektrode des Potentiometerfolienelements betätigenden magnetischen Kraft an der dem Permanentmagneten des Antriebsgliedes abgewandten Seite des Potentiometerfolienelements mindestens ein Verstärkungselement in Form einer auf die Betätigungsoberfläche des Potentiometerfolienelements aufgebrachten ferrohaltigen Kunststofffolie angeordnet 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, die 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 ändernden elektrischen Widerstandes 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.

Das mindestens eine Verstärkungselement ist als eine auf die Betätigungsoberfläche (oberer Träger) des Folienpotentiometerelements aufgebrachte ferrohaltige Kunststofffolie ausgebildet. 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.

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 einzigen Figur näher dargestellt. Es zeigt die:
Figur eine perspektivische schematische Darstellung eines Pneumatikzylinders als Linearantrieb, welcher mit einer Einrichtung zur Ermittlung beider Endlagenpositionen eines integrierten Antriebsgliedes ausgestattet ist.
Gemäß der Figur 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.

1: Pneumatikzylinder
2: Antriebsgehäuse
3: Antriebsglied
4: Antriebsstange
5a, 5b: Potentiometerfolienelemente
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) mit einer Widerstandsbahn (8), einem Isolierrahmen (9) und einer dem Bahnverlauf der Widerstandsbahn folgenden Kontaktelektrode (7) umfassen, dessen Kontaktelektrode (7) parallel zur Bewegungsrichtung des Antriebsgliedes (3) verläuft und über die magnetische Kraft des Permanentmagneten (6) örtlich konzentriert betätigbar ist, wobei zur Verstärkung der die Kontaktelektrode (7) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) betätigenden magnetischen Kraft an der dem Permanentmagneten (6) des Antriebsgliedes (3) abgewandten Seite des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) mindestens ein Verstärkungselement (10) in Form einer auf die Betätigungsoberfläche (11) des Potentiometerfolienelements (5a, 5b) aufgebrachten ferrohaltigen Kunststofffolie angeordnet ist.
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 Anspruch 2 oder 3, 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.