DE19909256C2 - Vorrichtung zur drahtlosen Erfassung der Position eines bewegbaren Bauteils, insbesondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Erfas­ sung der Position eines in einer maschinellen Anordnung be­ wegbaren Bauteils, insbesondere eines Kolbens oder eines Ven­ tilglieds, wie dies aus der DE 42 08 703 A1 oder der EP-B-0 707 190 bekannt ist.

Die in der DE 42 08 703 A1 beschriebene Vorrichtung dient zur Erfassung der Position eines griffelförmigen Körpers auf ei­ ner Schreibfläche, so dass es sich dort nicht im eigentlichen Sinne um eine maschinelle Anordnung handelt. Dort wird ein mit dem Schreibstift versehener bewegbarer Sender und wenigs­ tens zwei ortsfeste Empfänger verwendet, so dass die Wir­ kungsweise gegenüber dem Anmeldungsgegenstand genau entgegen­ gesetzt ist. Eine Realisierung des bekannten Verfahrens wäre bei einer Vielzahl von bewegbaren Bauteilen, deren Position jeweils erfasst werden soll, praktisch nicht mehr möglich, da die beiden Empfänger eine Vielzahl ähnlicher und gleichzeiti­ ger Signale zu verarbeiten hätten. Einen Funksender zur Über­ tragung der empfangenen Sendesignale an eine ortsfeste Emp­ fangseinrichtung ist bei der bekannten Vorrichtung nicht vor­ gesehen, was auch bei dem dort eine andere Technik aufweisen­ den Schreibgriffel nicht erforderlich ist.

Die aus der EP-B-0 707 190 bekannte Anordnung besitzt eine als langgestreckte Messspule ausgebildete Positionsmessstre­ cke, wobei je nach Position eines sich mit einem bewegbaren Bauteil bewegenden Permanentmagneten ein Positionssignal in der Messspule gebildet wird.

Die bekannte Messvorrichtung erfordert insbesondere bei sehr langen Messstrecken einen sehr großen technischen und kosten­ mäßigen Aufwand, wobei auch die Messgenauigkeit entweder ab­ nimmt oder zusätzliche Maßnahmen erfordert. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der sich bewegende Permanentmag­ net sehr nahe und unmittelbar entlang der Messspule geführt werden muss, was beispielsweise bei größeren Kolben-Zylinder- Anordnungen infolge der sich vergrößernden Wandstärke zu ei­ nem Problem wird. Oftmals ist es auch aus Platzgründen sehr schwierig, eine solche Messanordnung anzubringen, und bei der Auslegung und Konstruktion der maschinellen Anordnung sind aus diesem Grunde die gestalterischen und konstruktiven Mög­ lichkeiten beschränkt.

Bei einer aus der DE 43 10 099 C2 bekannten Einrichtung han­ delt es sich wiederum nicht um eine maschinelle Anordnung zur Erfassung der Position eines bewegbaren Bauteils einer ma­ schinellen Anordnung, sondern dort werden Wegstrecken identi­ fiziert, entlang denen sich ein bewegtes Objekt, z. B. ein Kraftfahrzeug, bewegt. Dieses Objekt empfängt Sendesignale von Satellitensendern, jedoch dient die bekannte Einrichtung lediglich zur Registrierung abgefahrener Strecken und zur Ab­ buchung entsprechender Straßenbenutzungsgebühren von einem elektronisch gespeicherten Konto. Eine Funkübertragung ermit­ telter Positionen ist nicht vorgesehen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der der Abstand zwischen dem bewegbaren Bauteil oder auch mehrerer Bauteile und den übrigen Komponenten der Vorrichtung nahezu beliebig sein kann und die Länge der Messstrecke prak­ tisch keine Rolle spielt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauteil mit einem Funkempfänger zum Empfang der Sendesignale von wenigstens zwei Funksendern versehen ist, die zumindest während des Messvorgangs ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung positioniert sind, dass eine Auswerteeinrichtung zur Errechnung der Position des Funkempfängers und damit des Bauteils relativ zu den Funksendern und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung aus den aus den Sendesignalen abgelei­ teten Winkelpositionen und/oder Entfernungen in Bezug auf die Funksender vorgesehen ist, und dass das Bauteil neben dem Funkempfänger noch einen Funksender zur Übertragung der emp­ fangenen Sendesignale oder der daraus errechneten Positions­ signale auf eine ortsfest zu der übrigen maschinellen Anord­ nung positionierten Empfangseinrichtung besitzt.

Durch die Positionserfassung über Funksignale können die Sen­ der und Empfänger auch in großem Abstand voneinander angeord­ net werden, ohne dass sich dies wesentlich auf das Messergeb­ nis 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 Linearan­ triebs oder dergleichen, keine Rücksicht auf die Positionser­ fassung genommen werden, so dass der Konstrukteur völlig freie Hand hat. Lediglich das bewegbare Bauteil muss mit ei­ nem Funkempfänger und -sender versehen sein, um die erfassten Sendesignale bzw. Positionssignale der ortsfesten Empfangs­ einrichtung übermitteln zu können. Auf diese Weise können auch die Positionen mehrerer bewegbarer Bauteile durch die­ selbe ortsfeste Empfangseinrichtung erfasst werden, wobei je­ weils dieselben ortsfesten Funksender verwendet werden kön­ nen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An­ spruch 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 Anwendung des GPS-Systems (Global Positioning System) können die ohne­ hin in den Satelliten für diesen Zweck vorgesehenen Funksen­ der ohne konstruktiven und finanziellen Einsatz verwendet werden. GPS-Empfänger sind inzwischen in sehr kleiner Bauwei­ se und kostengünstig realisierbar, wobei die Messgenauigkeit immer mehr zunimmt.

In einer vorteilhaften alternativen Ausgestaltung können die Funksender auch im Bereich der maschinellen Anordnung ange­ ordnet werden, wobei es in vorteilhafter Weise auch möglich ist, die Funksender zur Positionserfassung mehrerer verschie­ dener bewegbarer Bauteile, auch von unterschiedlichen maschi­ nellen Anordnungen, zu verwenden.

In der ortsfesten Empfangseinrichtung kann dann zweckmäßiger­ weise ganz oder teilweise die Auswerteeinrichtung, eine Wie­ dergabeeinrichtung und/oder eine Positionsregeleinrichtung vorgesehen sein, da dort der Zwang zu einer Kleinstbauweise im Gegensatz zu einer am bewegbaren Bauteil angeordneten Ein­ richtung nicht besteht.

Zur Erzielung einer möglichst kleinen Bauweise können am be­ wegbaren Bauteil der Funkempfänger und der Funksender zu ei­ nem Sendeempfänger zusammengefasst sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Die einzige Figur zeigt schematisch eine Kolben- Zylinder-Anordnung als maschinelle Anordnung, wobei zur Posi­ tionserfassung des Kolbens zwei Funksender vorgesehen 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 (6)

1. Vorrichtung zur drahtlosen Erfassung der Position ei­ nes in einer maschinellen Anordnung bewegbaren Bauteils, ins­ besondere eines Kolbens oder eines Ventilglieds, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil (10) mit einem Funkempfänger (12) zum Empfang der Sendesignale von wenigstens zwei Funk­ sendern (15, 16) versehen ist, die zumindest während des Meß­ vorgangs ortsfest zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) positioniert sind, daß eine Auswerteeinrichtung zur Errech­ nung der Position des Funkempfängers (12) und damit des Bau­ teils (10) relativ zu den Funksendern (15, 16), und damit zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) aus den aus den Sen­ designalen abgeleiteten Winkelpositionen und/oder Entfernun­ gen in Bezug auf die Funksender (15, 16) vorgesehen ist, und daß das Bauteil (10) neben dem Funkempfänger (12) noch einen Funksender (13) zur Übertragung der empfangenen Sendesignale oder der daraus errechneten Positionssignale auf eine orts­ fest zu der übrigen maschinellen Anordnung (11) positionier­ te Empfangseinrichtung (17) besitzt.

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

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

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Funkempfänger (12) und der Funksender (13) zu einem Sendeempfänger (14) zusammengefaßt sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ganz oder teilweise am bewegbaren Bauteil (10) und/oder in der Emp­ fangseinrichtung (17) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (17) mit einer Wiedergabeeinrichtung (18) und/oder einer Positionsre­ geleinrichtung versehen ist.