DE19909256A1 - Vorrichtung zur drahtlosen Erfassung der Position eines bewegbaren Bauteils, insbesondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur drahtlosen Erfassung der Position eines in einer maschinellen Anordnung bewegbaren Bauteils (10), insbesondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds, vorgeschlagen, wobei das Bauteil (10) mit einem Funkempfänger (12) zum Empfang der Sendesignale von wenigstens zwei Funksendern (15, 16) versehen ist, die zumindest während des Meßvorgangs ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) positioniert sind. Eine Auswerteeinrichtung ist zur Errechnung der Position des Funkempfängers (12) und damit des Bauteils (10) relativ zu den Funksendern (15, 16) und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) aus den aus den Sendesignalen abgeleiteten Winkelpositionen und/oder Entfernungen in bezug auf die Funksender (15, 16) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Er­ fassung der Position eines in einer maschinellen Anordnung bewegbaren Bauteils, insbesondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds, wie dies aus der EP-B-0707190 bekannt ist.

Die bekannte Anordnung besitzt eine als langgestreckte Meßspule ausgebildete Positionsmeßstrecke, wobei je nach Position eines sich mit einem bewegbaren Bauteil bewegen­ den Permanentmagneten ein Positionssignal in der Meßspule gebildet wird.

Die bekannte Meßvorrichtung erfordert insbesondere bei sehr langen Meßstrecken einen sehr großen technischen und kostenmäßigen Aufwand, wobei auch die Meßgenauigkeit ent­ weder abnimmt oder zusätzliche Maßnahmen erfordert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der sich bewegende Permanentmagnet sehr nahe und unmittelbar entlang der Meß­ spule geführt werden muß, was beispielsweise bei größeren Kolben-Zylinder-Anordnungen infolge der sich vergrößernden Wandstärke zu einem Problem wird. Oftmals ist es auch aus Platzgründen sehr schwierig, eine solche Meßanordnung an­ zubringen, und bei der Auslegung und Konstruktion der ma­ schinellen Anordnung sind aus diesem Grunde die gestalte­ rischen und konstruktiven Möglichkeiten beschränkt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit dar­ in, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der zum einen der Abstand zwischen dem be­ wegbaren Bauteil und den übrigen Komponenten der Vorrich­ tung nahezu beliebig sein kann, und bei der zum anderen die Länge der Meßstrecke praktisch keine Rolle spielt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bauteil mit einem Funkempfänger zum Empfang der Sende­ signale von wenigstens zwei Funksendern versehen ist, die zumindest während des Meßvorgangs ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung positioniert sind, und daß eine Auswerteeinrichtung zur Errechnung der Position des Funk­ empfängers und damit des Bauteils relativ zu den Funk­ sendern und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung aus den aus den Sendesignalen abgeleiteten Winkelpositio­ nen und/oder Entfernungen in bezug auf die Funksender vor­ gesehen ist.

Durch die Positionserfassung über Funksignale können die Sender und Empfänger auch in großem Abstand voneinander angeordnet werden, ohne daß sich dies wesentlich auf das Meßergebnis auswirkt. Dasselbe gilt für das angestrebte Ziel, lange Meßstrecken realisieren zu können. Hierzu braucht bei der Auslegung einer maschinellen Anordnung, beispielsweise einer Kolben-Zylinder-Anordnung, eines Ventils, eines Linearantriebs od. dgl., keine Rücksicht auf die Positionserfassung genommen werden, so daß der Kon­ strukteur völlig freie Hand hat. Lediglich das bewegbare Bauteil muß mit einem Funkempfänger versehen sein.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.

Eine besonders vorteilhafte Lösung besteht darin, daß die Funksender in Satelliten angeordnet sind und daß der Funk­ empfänger als GPS-Empfänger ausgebildet ist. Durch An­ wendung des GPS-Systems (Global Positioning System) können die ohnehin in den Satelliten für diesen Zweck vorgesehenen Funksender ohne konstruktiven und finanziellen Einsatz verwendet werden. GPS-Empfänger sind inzwischen in sehr kleiner Bauweise und kostengünstig realisierbar, wobei die Meßgenauigkeit immer mehr zunimmt.

In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung können die Funksender auch im Bereich der maschinellen Anordnung angeordnet werden, wobei es in vorteilhafter Weise auch möglich ist, die Funksender zur Positionserfassung mehre­ rer verschiedener bewegbarer Bauteile, auch von unter­ schiedlichen maschinellen Anordnungen, zu verwenden.

Zweckmäßigerweise besitzt das Bauteil neben dem Funk­ empfänger noch einen Funksender zur Übertragung der empfangenen Sendesignale oder der daraus errechneten Posi­ tionssignale auf eine ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung positionierten Empfangseinrichtung. In dieser Empfangseinrichtung kann dann ganz oder teilweise die Aus­ werteeinrichtung, eine Wiedergabeeinrichtung und/oder eine Positionsregeleinrichtung vorgesehen sein, da dort der Zwang zu einer Kleinstbauweise im Gegensatz zu einer am bewegbaren Bauteil angeordneten Einrichtung nicht besteht.

Zur Erzielung einer möglichst kleinen Bauweise können am bewegbaren Bauteil der Funkempfänger und der Funksender zu einem Sendeempfänger zusammengefaßt sein.

Eine umgekehrte Anordnung ist prinzipiell ebenfalls mög­ lich, das heißt, am bewegbaren Bauteil ist ein Funksender angeordnet, wobei wenigstens zwei Funkempfänger ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung positioniert sind.

Eine Auswerteeinrichtung ist dabei zur Errechnung der Position des Funksenders und damit des Bauteils relativ zu den Funkempfängern und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung aus den aus den Sendesignalen abgeleiteten Winkelpositionen und/oder Entfernungen in bezug auf die Funkempfänger vorgesehen. Bei dieser umgekehrten Anordnung treten im wesentlichen dieselben Vorteile auf, jedoch ist am bewegbaren Bauteil lediglich ein Funksender erforderlich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auswerte­ einrichtung mit den Funkempfängern verbunden und bildet vorzugsweise mit wenigstens einem der Funkempfänger eine Baueinheit. Die vorzugsweise in der Baueinheit angeordnete Auswerteeinrichtung kann in vorteilhafter Weise noch mit einer Wiedergabeeinrichtung und/oder einer Positionsregel­ einrichtung zur geregelten Positionierung des bewegbaren Bauteils versehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Kolben-Zylinder-Anordnung als maschinelle Anordnung, wobei zur Positionserfassung des Kolbens zwei Funksender vorge­ sehen sind.

Bei dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungs­ beispiel ist als maschinelle Anordnung eine Kolben-Zylin­ der-Anordnung vorgesehen, wobei ein Kolben 10 als beweg­ bares Bauteil in einem Zylinder 11 linear bewegbar ange­ ordnet ist. Der Kolben 10 ist mit einem einen Funk­ empfänger 12 und einen Funksender 13 aufweisenden Sende­ empfänger 14 versehen, wobei der Funkempfänger 12 und der Funksender 13 prinzipiell auch völlig separat sein können. Außerhalb des Zylinders 11 sind zwei Funksender 15, 16 an­ geordnet, die beispielsweise an einer Maschine angeordnet sein können, die die Kolben-Zylinder-Anordnung enthält, oder aber sie können auch beispielsweise an anderen Stellen einer Werkhalle angeordnet sein, in der sich die Maschine bzw. die Kolben-Zylinder-Anordnung befindet.

Weiterhin ist eine mit dem Funksender 13 am oder im Kolben 10 kommunizierende Empfangseinrichtung 17 außerhalb des Zylinders 11 angeordnet. Die beschriebene Anordnung funk­ tioniert im Prinzip wie das bekannte GPS-System (Global Positioning System), bei dem Funksender auf verschiedenen Satelliten angeordnet sind, die ortsfest zur Erdoberfläche positioniert sind. Das GPS-System wird außer zu militäri­ schen Zwecken auch zur Positionsbestimmung von Kraftfahr­ zeugen, Schiffen oder Wanderern eingesetzt, die über eine entsprechende Empfangseinrichtung verfügen. Beim GPS- System werden Zeitsignale von Atomuhren per Funk abge­ setzt, wobei durch Laufzeitunterschiede die Entfernung des Empfängers zu den Satelliten bestimmt wird. Hieraus läßt sich die Position des Empfängers berechnen. Durch beim GPS-System bekannte Korrekturmethoden sind immer größere Meßgenauigkeiten erreichbar.

Bei dem als Ausführungsbeispiel dargestellten und be­ schriebenen System werden nicht die Funksender von Satel­ liten verwendet, sondern in der Nähe der betreffenden maschinellen Anordnung, hier eine Kolben-Zylinder-Anord­ nung, werden solche Funksender 15, 16 positioniert, bei­ spielsweise an einer Maschine, in einer Werkhalle, in einem Gebäude od. dgl. Bei einem größeren Abstand der Funk­ sender 15, 16, beispielsweise bei einer Anordnung in einer Werkhalle, können durch diese Funksender 15, 16 auch die Positionen von mehreren unabhängigen bewegbaren Bauteilen bestimmt werden. Dabei ist die Zahl der Funksender 15, 16 selbstverständlich nicht auf zwei beschränkt, sondern diese Zahl kann auch größer sein, um beispielsweise die Meßgenauigkeit durch Kompensationsmethoden zu vergrößern.

Prinzipiell können auch hier die Entfernungen bestimmt werden, jedoch kann es sich im Einzelfall vorteilhafter erweisen, die Winkelpositionen durch Peilung zu erfassen. In beiden Fällen kann aus diesen Informationen die jewei­ lige Position des Funkempfängers 12 und damit des Kolbens 10 relativ zu den Funksendern 15, 16 berechnet werden. Da die Funksender 15, 16 ortsfest zum Zylinder 11 angeordnet sind, läßt sich daraus auch die Relativposition des Kolbens 10 zum Zylinder 11 berechnen. Beispielsweise werden die gemessenen Positionswerte der beiden End­ stellungen des Kolbens 10 gemessen und als Endpositionen gespeichert, so daß aus den erfaßten Zwischenpositionen der jeweilige Abstand zu den Endpositionen berechnet werden kann.

Die erfaßten Funksignale der Funksender 15, 16 werden durch den Sendeempfänger 14 im Kolben 10 der Empfangsein­ richtung 17 ebenfalls per Funk übermittelt. Dort erfolgt die Positionsberechnung, wobei diese Positionsberechnung ganz oder teilweise mittels einer entsprechenden Auswerte­ einrichtung im Kolben 10 erfolgen kann. In diesem Falle würden dann direkt die berechneten Positionen der Empfangseinrichtung 17 übermittelt. Diese Empfangseinrich­ tung 17 besitzt weiterhin eine Wiedergabeeinrichtung 18 für die jeweils berechnete Position des Kolbens 10, die beispielsweise als Display ausgebildet sein kann. Weiter­ hin kann die die Empfangseinrichtung 17 enthaltende Bau­ einheit noch eine Positionsregeleinrichtung zur Positions­ regelung des Kolbens 10 auf Grund der erfaßten Positions­ werte enthalten.

Zur Stromversorgung des Sendeempfängers 14 kann eine Bat­ terie, beispielsweise eine aufladbare Batterie, dienen, wobei die Aufladung auch drahtlos erfolgen kann, bei­ spielsweise durch Abzweigung und Gleichrichtung eines Teils der Funksignale, durch Induktion od. dgl. Da bei einer Kleinstbauweise eines Sendeempfängers 14 nur eine sehr geringe Energie erforderlich ist, kann anstelle einer aufladbaren Batterie auch ein Speicherkondensator treten, der ebenfalls durch die Funksignale aufgeladen wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich zur Positions­ erfassung praktisch beliebiger bewegbarer Bauteile in oder an maschinellen Anordnungen einsetzen. Solche bewegbaren Bauteile sind beispielsweise Ventilglieder in Ventilen, Antriebseinheiten von Linearantrieben, Paletten oder Werk­ stückhalteeinrichtungen in Fertigungsstraßen od. dgl.

Anstelle der in der Nähe der maschinellen Anordnung, also im Ausführungsbeispiel der Kolben-Zylinder-Anordnung, positionierten Funksender 15, 16 können prinzipiell auch die in den Satelliten ohnehin schon vorhandenen Funksender des GPS-Systems verwendet werden, sofern für den jeweili­ gen Anwendungsfall die Meßgenauigkeit ausreicht.

In einer alternativen Ausgestaltung des Ausführungsbei­ spiels bzw. der Erfindung kann im Kolben 10 oder im je­ weils positionsmäßig zu bestimmenden bewegbaren Bauteil anstelle des Sendeempfängers 14 ein Funksender vorgesehen sein, während anstelle der Funksender 15, 16 Funkempfänger treten, mit deren Hilfe die Position oder der Abstand zum Funksender im Kolben 10 bestimmt wird. Die Auswerteein­ richtung und gegebenenfalls eine Wiedergabeeinrichtung und/oder eine Positionsregeleinrichtung können dann zu­ sätzlich in einem dieser externen Funkempfänger angeordnet sein, wobei bei kleineren Abständen zur zu messenden maschinellen Anordnung auch eine Anordnung aller Funk­ empfänger in einer Baueinheit prinzipiell möglich ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur drahtlosen Erfassung der Position eines in einer maschinellen Anordnung bewegbaren Bauteils, insbesondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10) mit einem Funk­ empfänger (12) zum Empfang der Sendesignale von wenigstens zwei Funksendern (15, 16) versehen ist, die zumindest während des Meßvorgangs ortsfest zu der übrigen maschi­ nellen Anordnung (11) positioniert sind, und daß eine Aus­ werteeinrichtung zur Errechnung der Position des Funk­ empfängers (12) und damit des Bauteils (10) relativ zu den Funksendern (15, 16) und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) aus den aus den Sendesignalen abgeleiteten Winkelpositionen und/oder Entfernungen in bezug auf die Funksender (15, 16) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Funksender in Satelliten angeordnet sind und daß der Funkempfänger als GPS-Empfänger ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Funksender (15, 16) an oder im Bereich oder in der Umgebung der maschinellen Anordnung angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10) neben neben dem Funkempfänger (12) noch einen Funksender (13) zur Übertragung der empfangenen Sendesignale oder der daraus errechneten Positionssignale auf eine ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) positionierten Empfangseinrichtung (17) besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Funkempfänger (12) und der Funksender (13) zu einem Sendeempfänger (14) zusammengefaßt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ganz oder teilweise am bewegbaren Bauteil (10) und/oder in der Empfangsein­ richtung (17) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (17) mit einer Wiedergabeeinrichtung (18) und/oder einer Positions­ regeleinrichtung versehen ist.

8. Vorrichtung zur drahtlosen Erfassung der Position eines in einer maschinellen Anordnung bewegbaren Bauteils, insbesondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds, da­ durch gekennzeichnet, daß das Bauteil mit einem Funksender zum Absenden von Sendesignalen an wenigstens zwei Funk­ empfänger versehen ist, die ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung positioniert sind, und daß eine Auswerteeinrichtung zur Errechnung der Position des Funk­ senders und damit des Bauteils relativ zu den Funk­ empfängern und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung aus den aus den Sendesignalen abgeleiteten Winkelpositio­ nen und/oder Entfernungen in bezug auf die Funkempfänger vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinrichtung mit den Funkempfängern verbunden ist und insbesondere mit wenigstens einem der Funkempfänger eine Baueinheit bildet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Auswerteeinrichtung mit einer Wiedergabe­ einrichtung und/oder einer Positionsregeleinrichtung ver­ sehen ist.