DE19830981C1 - Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich geführten Teils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich geführten Teils. Üblicherweise werden hierzu binäre Näherungsschalter eingesetzt, die allerdings nicht auf eine Fehlfunktion hin überwacht werden können. Um eine Vorrichtung zu schaffen, die zur Positionserkennung auch eine Fehlererkennung beinhaltet, wird ein Näherungssensor mit einem analogen Ausgangssignal verwendet, das über einen Analog-Digital-Wandler in einer Auswerteeinheit ausgewertet wird. Sobald die Ausgangswerte außerhalb zulässiger Referenzschwellen liegen, erfolgt eine Fehlermeldung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich geführten Teils.

Eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist ein Näherungsschalter, der eine binäre Aussage darüber trifft, ob das entsprechende Objekt sich in der vordefinierten bzw. überwachten Position befindet oder nicht. Der Näherungsschalter umfaßt dabei ei­ nen Näherungssensor, der innerhalb seines Meßbereichs ein kontinuierliches Aus­ gangssignal liefert, das ein Maß für den Abstand eines vor dem Näherungssensor befindlichen Objektes ist. Als Meßprinzipien werden hier insbesondere induktive und kapazitive Effekte sowie die Laufzeit von Ultraschall genutzt.

Induktive Näherungssensoren arbeiten mit dem Prinzip des bedämpften LC- Oszillators. Der harmonische Oszillator erzeugt in der Sensorspule, die Bestandteil des Schwingkreises ist, ein hochfrequentes Wechselfeld. Beim Eintritt von Metall in das Wechselfeld der Sensorspule wird dem System durch Wirbelstrombildung Energie entzogen, so daß die Schwingungsamplitude kleiner wird. Eine daraus re­ sultierende Stromänderung wird in einer nachgeschalteten Elektronik ausgewertet.

Kapazitive Näherungssensoren bestehen in der Regel aus einem LC-Oszillator. Sensor und Meßobjekt bilden dabei einen Kondensator, dessen Kapazität sich bei Annäherung des Meßobjekts ändert.

Ultraschall-Näherungssensoren messen schließlich die Laufzeit von modulierten Ultraschallsignalen, die sich zwischen Sender und dem reflektierendem Objekt er­ gibt.

Bei einem üblichen Näherungsschalter besteht die Auswertelektronik hinter dem eigentlichen Näherungssensor aus einem Komparator mit einer Schaltschwelle, wobei der Ausgang des Komparators umschaltet, wenn das beweglich geführte Teil die vordefinierte Position erreicht. Derartige Näherungsschalter werden komplett mit der Auswertelektronik in einem vergossenen Gehäuse angeboten und gehören zu einem wichtigen Grundelement in allen Bereichen der Steuerungstechnik.

Eine mögliche Anwendung besteht in der Überwachung von verschieblich geführten Teilen auf einem Fahrzeugkran. So müssen z. B. bei einem Ausfahren eines Tele­ skopauslegers die Bewegungen der hierfür erforderlichen Hydraulikzylinder genau­ so überwacht werden wie die Bolzen zum Verbolzen der jeweiligen Schüsse des Teleskopauslegers. Üblicherweise werden hierbei induktive Näherungsschalter ein­ gesetzt. Problematisch ist dabei allerdings die Fehlererkennung derartiger Nähe­ rungsschalter. Gerade bei dem automatischen Ein- oder Ausfahren eines Telesko­ pauslegers muß eine absolute Zuverlässigkeit der Näherungsschalter gewährleistet sein. Auf der anderen Seite bietet das binäre Ausgangssignal keine besonderen Überwachungsmöglichkeiten oder Möglichkeiten für Selbsttestfunktionen.

Die DE 39 15 630 A1 offenbart einen Arbeitszylinder mit einem in einem Zylinder­ deckel angeordneten Sensor zur Bestimmung der Position des in einem Zylinder­ rohr bewegten Kolbens, wobei der Sensor ein induktiver Analoggeber ist, welcher die Bewegung des Kolbens nahezu über die gesamte Länge des Zylinderrohres erfaßt, wobei das analoge Meßsignal des Sensors in einer dem jeweiligen Sensor zugeordneten elektrischen Auswerteeinrichtung ausgewertet wird.

Aus der DE 42 44 078 A1 ist ein Verfahren und System zum Erfassen der Stellpo­ sition eines ersten Körpers gegenüber einem zweiten Körper z. B. eines Stoß­ dämpfers bekannt, welcher zwei relativ zueinander längs eines Stellweges befindli­ che Körper aufweist. Dabei wird mittels einer Meßeinrichtung ein entsprechend der Steilposition des ersten Körpers längs des Stellweges kontinuierlich variables Posi­ tionssignal erzeugt, wobei Zusatzeinrichtungen für mindestens eine definierte Stell­ position des ersten Körpers vorgesehen sind, um ein Markierungssignal zu erzeu­ gen, wodurch die Feinstruktur des kontinuierlichen Positionssignals präzise in sei­ nem sonst relativen Verlauf korrigiert werden kann und Meßfehler minimiert werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich geführten Teils zu schaffen, bei der eine zuverlässige Fehlererkennung möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung besteht dabei aus einem Näherungssensor, einem Analog-Digital-Wandler und einer Auswerteeinheit. Der Näherungssensor liefert in an sich bekannter Weise innerhalb seines Meßbereichs ein kontinuierliches Aus­ gangssignal, das ein Maß für den Abstand eines vor dem Näherungssensor befind­ lichen Objektes ist. Das zu erkennende beweglich geführte Teil ist derart ausge­ staltet, daß sich zumindest an den vordefinierten Positionen das Ausgangssignal ändert. Zur weiteren Auswertung des Ausgangssignals ist erfindungsgemäß ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen, der das Ausgangssignal in digitale Ausgangs­ werte wandelt. In der Auswerteeinheit werden die digitalen Ausgangswerte sodann mit abgespeicherten Referenzschwellen verglichen, wobei eine Fehlermeldung er­ folgt, wenn die digitalen Ausgangswerte außerhalb zulässiger Referenzschwellen liegen. Die Referenzschwellen sind dabei digitale Werte, die vorzugsweise den vor­ definierten Positionen und den Endpositionen des beweglich geführten Teils zuge­ ordnet sind. Sobald der Vergleich der Ausgangswerte mit den abgespeicherten Referenzschwellen ergibt, daß eine Referenzschwelle überschritten wird, kann auf das Erreichen der diese Referenzschwelle zugeordneten, vordefinierten Position durch das beweglich geführte Teil geschlossen werden. Insbesondere ist es auch möglich, den Endstellungen des beweglich geführten Teils Referenzschwellen zu­ zuweisen, so daß zulässige Ausgangswerte nur zwischen diesen beiden den End­ stellungen zugeordneten Referenzschwellen liegen dürfen. Somit ist eine zuverläs­ sige Fehlererkennung möglich, wenn die digitalen Ausgangswerte außerhalb zuläs­ siger Referenzschwellen liegen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das beweglich geführte Teil derartig ausgestaltet ist, daß sich das Ausgangssignal an den vordefinierten Positionen sprunghaft än­ dert und ansonsten konstant bleibt. Auf diese Weise entsteht ein stufenförmiges Ausgangssignal. Für jede Stufe können separate Referenzschwellen vorgesehen sein, wobei bei einem andauernden Auftreten von Ausgangswerten zwischen den Stufen ebenfalls auf einen Fehler des Näherungssensors geschlossen werden kann.

In der oben bereits näher beschriebenen Weise besteht der Näherungssensor vor­ zugsweise aus einem induktiven Sensor, einem kapazitiven Sensor oder einem Ultraschall-Sensor. Denkbar ist es aber auch, die Bewegung des verschieblich ge­ führten Teils mechanisch abzutasten. Die Abtastung kann beispielsweise durch eine Rolle erfolgen, die durch eine Feder vorgespannt und auf einem Hebelarm gelenkig gelagert ist, wobei die Bewegung des freien Ende des Hebelarms bei­ spielsweise durch ein Schiebe-Potentiometer oder mit einem der oben genannten Sensorprinzipien ausgewertet werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Auswerteeinheit über einen elektrischen Bus mit einer zentralen Recheneinheit verbunden ist. Der Bus kann dabei gemäß der DE 196 47 131 A1 realisiert sein. Bei der oben ge­ nannten Verwendung von Näherungsschaltern auf einem Fahrzeugkran ist es auf diese Weise möglich, über die zentrale Recheneinheit jeden einzelnen Näherungs­ schalter zentral zu konfigurieren oder zu überwachen, so daß aufwendige War­ tungsarbeiten an dem Kran erheblich abgekürzt werden können.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Refe­ renzschwellen seitens der zentralen Recheneinheit in der Auswerteeinheit pro­ grammierbar sind. Somit können die Referenzschwellen genau eingestellt werden, nachdem die einzelnen Näherungssensoren eingebaut sind, so daß Toleranzen beim Einbau berücksichtigt und ausgeglichen werden können. Zum anderen kön­ nen aufgrund der Fehlererkennung aber auch Arbeitspunktverschiebungen erkannt und durch eine Neuprogrammierung der Referenzschwellen ausgeglichen werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Nähe­ rungssensor eine Leuchtdiode aufweist, die durch die Auswerteeinheit angesteuert wird, wobei eine Zuordnung zu bestimmten Referenzschwellen über den elektri­ schen Bus programmierbar ist. Somit kann die Leuchtdiode als Zustandsanzeige vor Ort verwendet werden, um das Erreichen einer bestimmten Referenzschwelle seitens der Ausgangswerte zu erkennen. Insbesondere kann beim Einbau des Nä­ herungssensors die Zuordnung der Referenzschwellen derart programmiert sein, daß die Leuchtdiode leuchtet, sobald der Näherungssensor in seiner korrekten Po­ sition installiert ist. Damit kann auch der korrekte Einbau entweder durch den Mon­ teur selbst oder zentral über die zentrale Recheneinheit überwacht werden. Wäh­ rend des Betriebes des Näherungssensors ist dagegen die Zuordnung der Refe­ renzschwellen derart programmiert, daß die Leuchtdiode das Erreichen einer vor­ definierten Position des beweglich geführten Teils anzeigt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Nähe­ rungssensor über eine Hebelübersetzung mit einer mechanischen Abtastrolle in Wirkverbindung steht, die das beweglich geführte Teil abtastet. Auf diese Weise kann der Näherungssensor bei schwer zugänglichen Teilen an Stellen eingebaut werden, die vom Platz her einen Einbau des Näherungssensors erlauben. Zum an­ deren ist es mit einer entsprechenden mechanischen Übersetzung der Abtastrolle auch möglich, eine Wegübersetzung und damit eine Empfindlichkeitssteigerung des Näherungssensors zu erreichen.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß zwei Nä­ herungssensoren zur redundanten Erkennung der gleichen Position des beweglich geführten Teils vorgesehen sind, wobei eine Fehlermeldung immer dann erfolgt, wenn die Ausgangssignale beider Näherungssensoren über einen vorgegebenen Betrag voneinander abweichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es da­ mit, mehrere redundante Näherungssensoren einzusetzen, was bei herkömmlichen Näherungsschaltern nicht möglich ist. Aufgrund der binären Ausgangsinformation herkömmlicher Näherungsschalter kann nämlich beim Auftreten unterschiedlicher Schaltzustände noch nicht auf eine Fehlfunktion eines der Schalter geschlossen werden, da stets von einem zeitversetzten Schalten aufgrund Toleranzen beider Schalter ausgegangen werden muß. Demgegenüber erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Abtastung der kontinuierlichen Ausgangssignale der beiden ver­ wendeten Näherungssensoren, so daß beim Auftreten unterschiedlicher Schaltzu­ stände überprüft werden kann, wie weit die einzelnen Ausgangssignale auseinan­ der liegen. Erst wenn die Ausgangssignale beider Näherungssensoren über einen vorgegebenen Betrag voneinander abweichen, wird auf eine Fehlfunktion ge­ schlossen, so daß das Auftreten verschiedener Schaltzustände aufgrund von Tole­ ranzen berücksichtigt werden kann. Mit dieser Ausführungsform kann somit eine besonders zuverlässige Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich geführten Teils geschaffen werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 einen induktiven Näherungssensor

Fig. 2 ein kontinuierliches Ausgangssignal des induktiven Näherungssen­ sors nach Fig. 1

Fig. 3a die Vorderansicht eines verschieblichen Bolzens mit einem Induk­ tivsensor

Fig. 3b die Seitenansicht gemäß Fig. 3a mit dem Bolzen in einer linken Endstellung

Fig. 3c die Seitenansicht gemäß Fig. 3a mit dem Bolzen in einer rechten Endstellung

Fig. 4 einen Induktivsensor zur Positionserkennung eines Schaltblechs

Fig. 5 einen Induktivsensor zur Positionserkennung eines Profils und

Fig. 6 zwei redundante Induktivsensoren zur Positionserkennung eines Hydraulik-Zylinders.

Fig. 1 zeigt einen Induktivsensor 10, der ein kontinuierliches Ausgangssignal liefert. Der Induktivsensor weist an seinem Gehäuse ein Gewinde 11 auf, auf dem zur Montage des Induktivsensors zwei Muttern 12, 13 aufgeschraubt sind. An einer An­ schlußbuchse 14 kann ein Stecker zum Weiterführen des Ausgangssignals ange­ schlossen werden. In nicht näher dargestellter Weise wird das Ausgangssignal er­ findungsgemäß von einem Analog-Digital-Wandler in digitale Ausgangswerte ge­ wandelt, die von einer Auswerteeinheit eingelesen und ausgewertet werden. Um­ gekehrt wird von Seiten der Auswerteeinheit eine am Sensorgehäuse befindliche Leuchtdiode 15 angesteuert, mit der von der Auswerteeinheit ausgewertete Schalt­ zustände angezeigt werden können. Gegenüber der Anschlußbuchse 14 befindet sich die Meßfläche 16, gegenüber der Objekte innerhalb eines Meßbereichs von typischerweise einigen Millimetern erfaßt werden können.

Fig. 2 zeigt das kontinuierliche Ausgangssignal des Induktivsensors nach Fig. 1. Der Meßbereich erstreckt sich dabei von 0 bis 12 mm über einen Spannungsbe­ reich von ca. 2 Volt.

Fig. 3 zeigt einen Meßaufbau zur Erkennung von zwei Stellungen eines beweglich geführten Bolzens. Fig. 3a zeigt in Vorderansicht den Induktivsensor 10 und den verschieblich geführten Bolzen 30. Wie in Verbindung mit der Seitenansicht gemäß Fig. 3b, Fig. 3c zu erkennen, ist auf dem Bolzen ein Absatz 31 eingefräst. Fig. 3b zeigt dabei den Bolzen 30 in dessen linker Endstellung. Der Meßfläche 16 steht in dieser Endstellung ausschließlich der flache Absatz 31 des Bolzens 30 gegenüber. In der rechten Endstellung gemäß Fig. 3c ist dagegen die Kante 32 des Absatzes 31 bis zur Hälfte der Meßfläche 16 verschoben. Auf diese Weise ändert sich die Bedämpfung des Induktivsensors 10 und damit auch dessen Ausgangssignal.

Fig. 4 zeigt einen Meßaufbau, bei dem der Induktivsensor 10 die Position eines Schaltblechs 40 erkennt. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht insbesondere darin, daß das Schaltblech 40 sehr dicht an der Meßfläche 16 vorbeigeführt wird, wodurch starke Änderungen des Ausgangssignals erzeugt werden können.

Fig. 5 zeigt einen Meßaufbau, bei dem die Kante eines verschieblichen Profils 50 zur Bedämpfung des Induktivsensors 10 dient. Die Messung gleicht ansonsten der gemäß Fig. 3.

Fig. 6 zeigt zwei redundante Induktivsensoren 10, 10' zur Überwachung der Bewe­ gung eines Zylinders 60. Der Zylinder 60 weist eine Stufe 61 auf, die zur Positionser­ kennung verwendet werden kann. Sobald die Stufe 61 in den Bereich der Meßflä­ chen 16, 16' gelangt, ändern sich die Ausgangssignale der Induktivsensoren 10, 10'. Sobald das sich ändernde Meßsignal dabei eine in der Auswerteeinheit abge­ speicherte Referenzschwelle erreicht, schaltet die Auswerteeinheit auf Positionser­ kennung, was im herkömmlichen Sinne dem Schließen eines Schalters entspricht. Aufgrund von Toleranzen wird jedoch das Ausgangssignal des anderen Induktiv­ sensors nicht gleichzeitig durchschalten. Eine Fehlermeldung der beiden Nähe­ rungssensoren findet dennoch nicht statt, wenn erfindungsgemäß die Ausgangs­ signale beider Näherungssensoren sich innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbe­ reichs befinden.

Die Ausgangssensoren sind jeweils über Analog-Digital-Wandler mit einer Aus­ werteeinheit verbunden. Selbstverständlich ist es auch möglich, im Multiplex- Betrieb nur einen Analog-Digital-Wandler zu verwenden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils,
mit einem Näherungssensor, der innerhalb seines Meßbereichs ein kontinu­ ierliches Ausgangssignal liefert, das ein Maß für den Abstand eines vor dem Näherungssensor befindlichen Objektes ist, wobei das beweglich geführte Teil derart ausgestaltet ist, daß sich zumindest an den vordefinierten Positionen das Ausgangssignal ändert,
mit einem Analog-Digital-Wandler, der das Ausgangssignal in digitale Aus­ gangswerte wandelt, und
mit einer Auswerteeinheit, die die digitalen Ausgangswerte zur Positionser­ kennung mit abgespeicherten Referenzschwellen vergleicht, wobei eine Feh­ lermeldung erfolgt, wenn die digitalen Ausgangswerte außerhalb zulässiger Referenzschwellen liegen.

2. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das beweglich geführte Teil derart ausgestaltet ist, daß sich das Ausgangssignal an den vor­ definierten Positionen sprunghaft ändert und ansonsten konstant bleibt.

3. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Näherungssensor ein induktiver Sensor, ein kapazitiver Sensor oder ein Ultraschall-Sensor ist.

4. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit über einen elektrischen Bus mit einer zentralen Rechen­ einheit verbunden ist.

5. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz­ schwellen seitens der zentralen Recheneinheit in der Auswerteeinheit pro­ grammierbar sind.

6. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Näherungssensor eine Leuchtdiode aufweist, die durch die Auswerteein­ heit angesteuert wird, wobei eine Zuordnung zu bestimmten Referenzschwel­ len über den elektrischen Bus programmierbar ist.

7. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einbau des Näherungssensors die Zuordnung der Referenzschwellen derart pro­ grammiert ist, daß die Leuchtdiode leuchtet, sobald der Näherungssensor in seiner korrekten Position installiert ist.

8. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Betriebes des Näherungssensors die Zuordnung der Referenz­ schwellen derart programmiert ist, daß die Leuchtdiode eine Positionserken­ nung anzeigt.

9. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Näherungssensor über eine Hebelübersetzung mit einer mechanischen Abtastrolle in Wirkverbindung steht, die das beweglich geführte Teil abtastet.

10. Vorrichtung zur Erkennung von vordefinierten Positionen eines beweglich ge­ führten Teils nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Näherungssensoren zur redundanten Erkennung der gleichen Position des beweglich geführten Teils vorgesehen sind, wobei eine Fehlermeldung immer dann erfolgt, wenn die digitalen Ausgangswerte beider Näherungssen­ soren über einen vorgegebenen Betrag voneinander abweichen.