DE202010018042U1 - Sensor with wear detection - Google Patents
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Abstract
Sensor (14) mit mindestens einer insbesondere magnetischen oder induktiven Sensoreinheit (22), die ein Sensorsignal in Abhängigkeit von der Position eines in einem Zylinder (10) fluidgetrieben ein- und ausfahrbaren Kolbens (12) erzeugt, sowie mit einer Auswertungseinheit (24, 26), in der anhand des Sensorsignals die Position des Kolbens (12) an mindestens zwei Schaltpunkten (S1, S2) erfassbar ist, gekennzeichnet durch eine Verschleißerkennungseinheit (28), die dafür ausgebildet ist, aus den Zeitpunkten, an denen der Kolben (12) die Schaltpunkte (S1, S2) passiert, eine Bewegungsinformation über die Ein- und/oder Ausfahrbewegung des Kolbens (12) abzuleiten und durch Vergleich mit einer Referenzbewegungsinformation einen Verschleißgrad zu bestimmen, wobei der Sensor (14) weiterhin eine Warneinheit (28, 30, 32) aufweist, mittels derer anhand des Verschleißgrads eine Verschleißwarnung ausgebbar ist.Sensor (14) having at least one in particular magnetic or inductive sensor unit (22) which generates a sensor signal as a function of the position of a piston (12) which can be moved in and out in a fluid-driven manner in a cylinder (10), and with an evaluation unit (24, 26 in which, based on the sensor signal, the position of the piston (12) can be detected at at least two switching points (S1, S2), characterized by a wear detection unit (28) which is designed to detect from the points in time at which the piston (12) the switching points (S1, S2) happen to derive motion information about the input and / or extension movement of the piston (12) and to determine a degree of wear by comparison with a reference movement information, wherein the sensor (14) further comprises a warning unit (28, 30, 32), by means of which a wear warning can be output on the basis of the degree of wear.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor mit mindestens einer Sensoreinheit für die Positionserkennung eines Kolbens in einem Zylinder an zwei Schaltpunkten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to a sensor having at least one sensor unit for the position detection of a piston in a cylinder at two switching points according to the preamble of
Die Position des Kolbens in einem Arbeitszylinder lässt sich berührungslos mit Hilfe von magnetischen oder induktiven Sensoren bestimmen, die in Führungsnuten an den Außenflächen des Gehäuses des Arbeitszylinders angebracht sind. Ein solcher Sensor gibt dann in Abhängigkeit der Kolbenstellung ein Schaltsignal aus. The position of the piston in a working cylinder can be determined without contact by means of magnetic or inductive sensors which are mounted in guide grooves on the outer surfaces of the housing of the working cylinder. Such a sensor then outputs a switching signal as a function of the piston position.
Häufig sind pro Hubweg eines Kolbens mehrere Schaltpunkte gewünscht. Zumeist sind zumindest die eingefahrene Endlage und die ausgefahrene Endlage des Kolbens zu erfassen. Die
Solche Arbeitszylinder und ganz allgemein pneumatisch oder hydraulisch betriebene Komponenten in einer Anlage unterliegen wegen ihrer kurzen, häufigen Arbeitszyklen in besonderem Maße dem Verschleiß. Verschlissene Komponenten beispielsweise verbrauchen aufgrund interner beziehungsweise externer Leckagen oder Spiel wesentlich mehr Druckluft, so dass durch frühzeitiges Erkennen von Leckagen der Druckluftbedarf um bis zu 30% reduziert werden kann. Dabei ist der Druckluftverbrauch in einer pneumatisch betriebenen Anlage ein dominierender Betriebskostenanteil. Such cylinders and generally pneumatically or hydraulically operated components in a plant are subject to wear due to their short, frequent cycles especially. Worn components, for example, consume significantly more compressed air due to internal or external leaks or play, so that early detection of leaks can reduce compressed air requirements by up to 30%. The compressed air consumption in a pneumatically operated plant is a dominant operating cost share.
Um den Druckluftbedarf zu minimieren und die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen, werden Anlagen herkömmlich sehr oft einer präventiven Wartung unterzogen. Das bedeutet einen Austausch der pneumatischen Komponenten weit vor dem Ende ihrer Lebensdauer. Damit entstehen an sich unnötige Wartungs- und Erneuerungskosten, so dass damit das Ziel weitgehend verfehlt wird, die Betriebskosten der Anlage zu minimieren. In order to minimize the compressed air requirement and to increase the plant availability, systems are traditionally very often subjected to preventive maintenance. This means replacing the pneumatic components well before the end of their life. This results in unnecessary maintenance and renewal costs, so that the goal is largely missed to minimize the operating costs of the system.
Es ist bekannt, den Zustand von Dichtungen elektronisch zu überprüfen. Damit werden Leckagen unmittelbar am Ort des Geschehens erkannt, und es kann eine rechtzeitige, verschleißgenaue Wartung erfolgen. Allerdings wird dies mit einem zusätzlichen Sensor allein für die Leckagedetektion erkauft. It is known to check the condition of seals electronically. This leakage is detected immediately at the scene, and it can be timely, wear-resistant maintenance. However, this is bought with an additional sensor for leakage detection alone.
In einem anderen Ansatz, der in
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Verschleißzustand fluidgetriebener, also hydraulischer oder pneumatischer Komponenten mit möglichst wenig Aufwand zu überwachen. It is therefore an object of the invention to monitor the state of wear fluid-driven, so hydraulic or pneumatic components with the least possible effort.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, die Kolbenposition in einem Zylinder mit einem einzigen Sensor mit mehreren Schaltpunkten zu überwachen. Anhand eines Vergleichs der tatsächlichen und der erwarteten Bewegung wird dann erkannt, ob sich die Beweglichkeit des Kolbens beim Einfahren und Ausfahren verschleißbedingt verändert hat. This object is achieved by a sensor according to
Als Bewegungsinformation werden im einfachsten Fall direkt die Zeitpunkte beziehungsweise deren zeitliche Differenz betrachtet, an denen der Kolben die Schaltpunkte passiert. Komplexere Schätzungen der Kolbenbewegung sind aber denkbar, auch unter Verwendung zusätzlicher Schaltpunkte, die eine genauere Bewegungsverfolgung ermöglichen. As movement information, in the simplest case the time points or their time difference are directly considered, at which the piston passes the switching points. More complex estimates of the piston movement are conceivable, however, also using additional switching points, which allow a more accurate motion tracking.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein einziger Sensor die Position und die Verschleißinformation dezentral ermittelt und zur Verfügung stellt. Dies ermöglicht eine bedarfsorientierte statt einer präventiven Wartung, bei der eine Komponente erst kurz vor deren Versagen und nicht schon weit vor Ende der Lebensdauer ausgetauscht wird. Damit wird die Anlagenverfügbarkeit bei gleichzeitig reduzierten Wartungskosten sichergestellt. Durch die Drucklufteinsparung werden die Betriebskosten minimiert. Es entsteht wegen der dezentralen Ermittlung des Verschleißgrades auch keine Limitierung aufgrund von Abtastzeiten einer externen Steuerung. The invention has the advantage that a single sensor determines the position and the wear information decentralized and provides. This allows needs-based rather than preventive maintenance, in which a component is replaced just before their failure and not far before the end of life. This ensures system availability while reducing maintenance costs. The compressed air saving minimizes operating costs. Due to the decentralized determination of the degree of wear, there is no limitation due to sampling times of an external controller.
Die Warneinheit weist bevorzugt eine einstellbare Schwelle auf, ab welchem Verschleißgrad die Verschleißwarnung auszugeben ist. Diese Schwelle besagt in anderen Worten, welche maximale Abweichung der Bewegungsinformation von der Referenzbewegungsinformation noch ohne Wartung beziehungsweise Austausch hinnehmbar ist. Da dies von der Anwendung abhängt, ist es vorteilhaft, diese Grenze einstellen zu können. Werkseitig werden vorzugsweise schon vorab sinnvolle, später veränderbare Werte vorgegeben. The warning unit preferably has an adjustable threshold, from which degree of wear the wear warning is to be output. In other words, this threshold indicates which maximum deviation of the movement information from the reference movement information is still acceptable without maintenance or replacement. Since this depends on the application, it is advantageous to be able to set this limit. To be factory preferably given in advance meaningful, later variable values.
Die Verschleißwarnung umfasst vorteilhafterweise eine quantitative Information über den Verschleißgrad. Diese quantitative Information kann aus dem Maß der Abweichung zwischen Bewegungsinformation und Referenzbewegungsinformation ermittelt werden. Daraus kann eine Bedienperson oder eine Anlagensteuerung selbst entscheiden, ob der aktuelle Verschleißgrad eine Wartung erforderlich macht oder nicht. The wear warning advantageously comprises a quantitative information about the degree of wear. This quantitative information can be determined from the degree of deviation between motion information and reference motion information. From this, an operator or a system control can decide for themselves whether the current degree of wear requires maintenance or not.
Die Verschleißwarnung ist bevorzugt über eine Anzeige, insbesondere eine LED ausgebbar, wobei diese Anzeige vorzugsweise direkt am Sensor angebracht ist. Die LED kann eine für diesen Zweck dedizierte Verschleiß-LED sein, oder es wird eine spezielle Blinksequenz oder eine Textmeldung ausgegeben. Auch die Ausgabe an einem Signalausgang ist denkbar, speziell über ein Protokoll wie IO-Link, so dass nachgelagerte Steuerungseinheiten die Verschleißwarnung weiter verarbeiten. The wear warning can preferably be output via a display, in particular an LED, whereby this display is preferably mounted directly on the sensor. The LED may be dedicated for this purpose wear LED, or it will be issued a special flashing sequence or a text message. Output to a signal output is also conceivable, especially via a protocol such as IO-Link, so that downstream control units continue to process the wear warning.
Die Verschleißerkennungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, bei dem Vergleich zwischen Bewegungsinformation und Referenzbewegungsinformation zugleich mit dem Verschleißgrad eine Ursache für die Abweichung zu bestimmen. Eine solche qualitative Analyse, die über eine Anzeige oder ein Ausgangssignal ausgegeben wird, vereinfacht die Fehlersuche und Wartung. Beispielsweise wird ein verlangsamtes Einfahren des Kolbens auf eine interne beziehungsweise externe Leckage oder eine erhöhte Reibung, ein schnelleres Ausfahren auf eine verringerte Reibung oder eine externe Leckage oder ein verlangsamtes Ausfahren vor allem auf höhere Reibung und untergeordnet auf eine interne Leckage zurückgeführt. The wear detection unit is preferably designed to determine a cause for the deviation in the comparison between movement information and reference movement information together with the degree of wear. Such qualitative analysis, output via a display or an output signal, simplifies troubleshooting and maintenance. For example, a slower retraction of the piston to an internal or external leakage or increased friction, a faster extension to a reduced friction or an external leakage or a slowed down extension, especially due to higher friction and subordinated to an internal leakage.
Die Verschleißerkennungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, Abweichungen zwischen Bewegungsinformation und Referenzbewegungsinformation über eine Vielzahl von Ein- und Ausfahrbewegungen aufzuzeichnen und statistisch auszuwerten, wobei insbesondere die Warneinheit dafür ausgebildet ist, die Verschleißwarnung bei Erkennen eines zeitlichen Trends auszugeben. Einerseits wird so ausgeschlossen, dass zufällige Einzelereignisse zu einer Verschleißwarnung führen. Andererseits ist durch einen zeitlichen Trend schon sehr frühzeitig abschätzbar, wann es zu einem Ausfall kommt. Beispielsweise können die einzelnen Abweichungen noch viel zu gering sein, als dass eine Verschleißschwelle überschritten würde, zugleich erkennt der Sensor aber einen stabilen statistischen Trend zur Verschlechterung. Eine Extrapolation führt dann zu einer Abschätzung, ob und wann es zu einem kritischen Verschleiß kommen wird. The wear detection unit is preferably designed to record and statistically evaluate deviations between movement information and reference movement information via a multiplicity of entry and exit movements, wherein in particular the warning unit is designed to output the wear warning when a time trend is detected. On the one hand, it is excluded that accidental single events lead to a wear warning. On the other hand, it can be estimated at an early stage by a temporal trend, when it comes to a failure. For example, the individual deviations may still be far too small for a wear threshold to be exceeded, but at the same time the sensor recognizes a stable statistical trend for deterioration. Extrapolation then leads to an estimation of whether and when critical wear will occur.
Der Sensor ist vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht, das so gestaltet ist, dass es in einer Nut auf dem Umfang des Zylinders montierbar ist. Somit wird der Sensor fest in der richtigen Justierung an dem Zylinder montiert und stört die Außengeometrie nur minimal. The sensor is preferably housed in a housing which is designed so that it can be mounted in a groove on the circumference of the cylinder. Thus, the sensor is firmly mounted in the correct adjustment on the cylinder and disturbs the outer geometry only minimally.
Die Verschleißerkennungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Referenzbewegungsinformation automatisch einzulernen. Dazu werden beispielsweise die Bewegungsinformationen kurz nach einem Austausch, also mit einer garantiert voll funktionsfähigen Komponente, automatisch als Referenz verwendet. Denkbar ist im übrigen auch, mehrere Referenzbewegungsinformationen einzulernen, um beispielsweise unterschiedliche Lasten beziehungsweise Lastwechsel an der pneumatischen Achse zu berücksichtigen. The wear detection unit is preferably designed to automatically teach in the reference movement information. For this purpose, for example, the movement information is used shortly after an exchange, ie with a guaranteed fully functional component, automatically as a reference. Incidentally, it is also conceivable to teach several reference movement information in order to take into account, for example, different loads or load changes on the pneumatic axis.
Die Verschleißerkennungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Zeitpunkte, an denen der Kolben die Schaltpunkte passiert, die Bewegungsinformation über die Ein- und/oder Ausfahrbewegung des Kolbens und/oder den Verschleißgrad nur bei einem Teil der Kolbenbewegungen zu bestimmen. Der Verschleiß des Zylinders erfolgt im Vergleich zur Messung der Position nur sehr langsam. Deshalb muss die Zeitmessung nicht bei jeder Positionsbestimmung beziehungsweise Kolbenbewegung erfolgen. Es genügt, die Zeitmessung nur bei einem Teil durchzuführen, beispielsweise bei jeder zweiten, zehnten oder hundertsten Überfahrbewegung. Dadurch kann die Verschleißerkennungseinheit beziehungsweise deren Prozessor für die Bestimmung der Verschleißindikation signifikant um Rechenleistung entlastet werden. The wear detection unit is preferably designed to determine the times at which the piston passes the switching points, the movement information about the input and / or extension movement of the piston and / or the degree of wear only in a part of the piston movements. The wear of the cylinder is compared to the measurement of the position only very slowly. Therefore, the time measurement does not have to be done at every position determination or piston movement. It is sufficient to carry out the time measurement only in one part, for example every second, tenth or one hundredth overrun. As a result, the wear detection unit or its processor for determining the wear indication can be significantly relieved of computational power.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in: The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages by way of example with reference to embodiments and with reference to the accompanying drawings. The illustrations of the drawing show in:
In einer Nut auf der Umfangsfläche des Zylinders
Der Sensor
Die Verfahrbewegung des Kolbens
Der Sensor
Die Sensorsignale werden einer Auswertungseinheit
Eine Verschleißerkennungseinheit
Damit kann der Sensor
Über einen einfachen Vergleich mit einer Referenz hinaus sind auch komplexere Auswertungen denkbar. Beispielsweise werden Einfahrzeit tein und Ausfahrzeit taus über eine größere Zahl von Arbeitszyklen aufgezeichnet und gemeinsam statistisch ausgewertet. Etwaige Drifteffekte über Temperaturabhängigkeiten der Sensorelemente
Alle aktuellen Informationen, also beispielsweise Ein- und Ausfahrzeit, Größe und Richtung der Abweichung, Verschleißgrad, Verschleißursache, können über die Anzeige
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20131031 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20131128 |
|
R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years | ||
R071 | Expiry of right |