DE2945895A1 - Magnetisches laengenmesssystem vorzugsweise zum messen der position von hydraulik-und pneumatikzylindern - Google Patents

Magnetisches laengenmesssystem vorzugsweise zum messen der position von hydraulik-und pneumatikzylindern

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DE2945895A1 DE19792945895 DE2945895A DE2945895A1 DE 2945895 A1 DE2945895 A1 DE 2945895A1 DE 19792945895 DE19792945895 DE 19792945895 DE 2945895 A DE2945895 A DE 2945895A DE 2945895 A1 DE2945895 A1 DE 2945895A1
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Description

Stuttgart, den 12.11.79
Patentschrift
Erfinder: Dipl.-Ing. Henning Wolf
Beschreibung
Magnetisches Laengenmesssystnm vorzugsweise zum Messen der Position von Hydraulik- und Pneumatikzylindern
Die Erfindung betrifft ein Laengenmesssystem, bestehend aus einem magnetischen Laengonmassstab,Magnetfeldsensoren und einer Abtastelektronik, welches vorzugsweise zur Bestimmung der Position der Kolbenstange in Pneumatik-,oder Hydraulikzylindern dient und in diese integrierbar ist.
Bei dem industriellen Einsatz von Stell- und Arbeitszylindern muss haeufig die Position und/oder die Geschwindigkeit d2r Kolbenstange fuer Steuerungs- oder Regelungsaufgabsn erfasst werden.
Stand der Technik
Fuer die Erfassung einzelner Kolbenpositionen sind mechanische, induktive oder magnetische Endschalter bekannt. Weiternin koennen zur Erfassung der Kolbenposition zusaetzliche Messsysteme angebaut werden, weiche nach verschiedenen Messprinzipien arbeiten, z.B. mit optischen Massstaeben , mit Potentiometern oder induktiven Gebern wie Resolver, Inductosyn und Accupin.Gemeinsam ist diesen Messsystemen, dass sie aussen an dem Zylinder angebracht werden muessen.
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Mit dem Anbau eines der genannten Messsysteme ist eine Vergroesserung des Volumens der Zylinder und ein zusaetzlicher Kostenaufwand verbunden. Bei der Verwendung von Endschaltern lassen sich nur wenige Kolbenstellungen erfassen, ausserdem ist hiermit die Ermittlung der Kolbengeschwindigkeit nicht moeglich.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Zweck der Laengenmessung eine Massverkoerperung und die elektronische Abtastvorrichtung so in den Zylinder zu integrieren, dass die mechanischen Eigenschaften der Kolbenstange und des Zylinders nicht negativ beeinflusst werden. Insbesondere ist darauf zu achten, dass sich keine zusaetzlichen Dichtungs- und Verschleissprobleme an der Austrittsstelle der Kolbenstange 1 aus dem Zylinderkopf 2 (Fig. 1) ergeben.
Loesung
Diese Aufgabe wird nach Fig. 1 er f indungsgemaess dadurch geloest, dass auf die Kolbenstange (1) eine oder mehrere Magnetspuren mit Nordpoien (3) und Suedpolen (4) aufgebracht werden. Die Magnetspuren stellen den Laengenmassstab dar. Die Teilung Xo entspricht dem Abstand zwischen zwei gleichnamigen Polen. Mit Hilfe von Magnetfeldsensoren (5), welche sich an dem Zylinderkopf (2) oder an der anzutreibenden Maschine befinden koennen, wird die magnetische Teilung erfasst und in elektrische Signale umgewandelt.
Vorteile
Die Vorteile der Erfindung sind darin begruendet, dass
- die Geometrie der Kolbenstange nicht veraendert wird,
- die Oberflaechenbeschaffenheit der Kolbenstange nicht verschlechtert wird,
- die Abtastung beruehrunglos und somit verschleissfrei erfolgt,
- ein direkter Abgriff der Kolbenstange stattfindet,
- zusaetziiche Messfehler, wie etwa durch Verletzung des Abbe-Prinzips, vermieden werden,
- Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung im Vergleich zu optischen Abtastprinzipien gegeben ist,
- die Messung der Kolbenposition und gleichzeitig der Kolbengeschwindigkeit moeglich ist.
Das hier vorgestellte Verfahren erfuellt alle gestellten Anforderungen insbesondere lassen sich die herkoemmlichen Dichtungen fuer die Kolbenstange ohne Einschraenkungen einsetzen.
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29A5895
Weitere Ausfuehrungen
Die relativ geringen permanentmagnetischen Eigenschaften von Kolbenstangenmaterialien erlauben nur relativ grobe magnetische Teilungen, sodass zur Erzielung einer hinreichenden Aufloesung Interpolationsverfahren angewendet werden muessen. Diese Interpolation wird durch eine sinusfoermige Magnetisierung der Kolbenstange ermoeglicht (Fig. 2).
Als Magnetfeldsensoren dienen bei; diesen ist die Ausgangsspannung U I und der magnetischen Feldstaer«*
U = K * 1 * H
;pielsweise Hallelemente. Bei proportional zum Steuerstrom ■ H :
Man erhaelt dann in AbhaengigKeit der Kolbenposition: UhI = K * I * sin (2 * Pi * χ / Xo)
Ein Hallelement, welcnes um ein Viertel der Polteilung versetzt angebracht ist, gibt folgendes Ausgangssignal ab:
Uh2 = K * I * cos (2 * Pi * χ / Xo)
Die Bestimmung der Kolbenposition χ kann aus dem Verhaeltnis der beiden Spannungen nach dsr Einziehung:
x= (Xo / 2Pi) * arctan (UhI / Uh2)
gewonnen werden.
Eine weitere Moeglichkeit ergibt sich aus folgender
üeberlegung:
Betrachtet man den Steuerstrom I , d3S Magnetfeld H des Magnetstabes und die Ausgangsspannung U der Hallelmente als Vektoren, so ergibt sich die Ausgangsspannung aus der vektoriellen Multiplikation des Steuerstromes mit dem
Magnetfeld:
U = IxH
Die Ausgangsspannung U ist um den Winkel Alpha gegenueber dem Eingangsstrom I verdreht:
Alpha = 2 * Pi * χ / Xo
In einem Nachlaufverfahren wird die Phasenlage des Steuerstromes I so ausgeregelt, dass die Pnasenlage der Ausgangsspannung null bleibt. Die hierzu notwendige Phasenverschiebung ist ein direktes Mass fuer die Kolbenposition. In Fig. 3 ist das Prinzip einer Schaltung fuer
diese Nachlaufsteuerung dargestellt:
Die Summe der Ausgangsspannungen aus den Hallelementen wird einem Komparator zugefuehrt, welcher ueber einen Vorwaerts-Rueckwaertszaehier die Phasenlage der Steuerstroeme Il und 12 solange veraendert, bis das Komparatorsignal null ist. Der Zaehlerstand entspricht der Kolbenposition.
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Tastet man die Kolbenstange mit zwei Hallelementen ab, die mit sinusfoermigen Steuarstroemen 11 und 12 unterschiedlicher Amplitude gespeist werden und deren Abstand einem Viertel der magnetischen Polteilung entspricht, so orhaelt man:
UhI = Kl * Il * sin wt * sin (2 * Pi * χ / Xo) Un2 * K2 * 12 * sin wt * cos (2 * Pi * χ / Xo)
Diese beiden Signale lasssn sich analog zu den bekannten induktiven Gebern auswerten. Siehe U] S. 71 Tabelle 4, Fall 4: Erregung der Rotorwicklung - Signalabgabe an beiden Statorwicklungen.
Das Amplitudensteuerverfahren (Il j Seite 71, Tabelle 4, Fall 1) kann durch die Summenbildung :
uhj = uhl + un2
= K3 * I * sin wt * sin (2 * Pi * χ / Xo + Phi) = K3 * I * sin wt * sin Alpha
Gingesetzt werden.
Die Beziehung:
Alpha = arctan (unl / uh2)
wiru in 11] Seite 71, Tabelle 4, Fall 2 zur Lageregelung benutzt.
Im Pnasensteuerverfahren ([1] Seite 71, Tabelle 4, Fall 3) wird aas Hallement Hl von einem sinustoermigen und das Hallolment H2 von einem cosinusfoormigen Steuerstrom durchflossen (Fig. 3). Es gilt d?mn:
und mit
wird
uhl
uh2
uh3
uh3
K * I * sin wt * sin (2 * Pi * χ / Xo) K * 1 * cos wt * cos (2 * Pi * χ / Xo)
unl
uh2
K3 * 1 * sin (wt + 2 * Pi * χ / Xo) K3 * I * sin (wt + Alpha)
Beim Abtasten (Fig. 4) des magnetischen Massstabes (7) mit mehreren Magnetfeldsensoren (8) iaesst sich durch Mittelwertbildung der Ausgangssignale eine Reduzierung des Einflusses des Polteilungsfehlers erreichen ·
Gleichspannungsfehler, welche z.B. durch Alterung, Temperaturdrift oder Aenderung des Luftspaltes zwischen der Kolbenstange und den Magnetteldsensoren hervorgerufen werden, lassen sich unterdruecken durch die Differenzbildung der elektrischen Ausgangssignale von den Magnetfeldsensoren (9), wenn diese den Magnetmassstab (Iu) im Abstand einer halben Polteilung abtasten (Fig. 5 und Fig. 6).
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Bei den genannten Abtastvervsnran handelt es sich um zyklisch absolute Verfahren, da sie nuc innerhalb einer Periode von χ absolut sind. Verwendet man jeüocn Magnetstaebe mit mehreren Magnetspuren unterschiedlicher Püiteilung (Fig. 7 und d), so laesst sich die absolute Abtastporiode vervielfachen. Die Grobinterpoiation kann nach Fig. 7 anhand der Magnetspur mit der groesseren Polteilung, od?r n'ch Fig. B anhand der PnasenverSchiebung zwischen den :», gnetspuren erfolgen.
[1] Walcher h.: "Digitale Lagenmesstechnik" VDI-Verlag, Duesscldort, 1y74
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BAD ORIGINAL
2-
L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Patentanspruecne
    f l) Magnetisches Laengenmasssystetr. vorzugsweise zum Messen der Tfolbenposition von Hydraulik- und Pneumatikzylindern gekennzeichnet durch die Kombination:
    - einer Kolbenstange, welche im Bereich der Oberfiaeche permanentmagnetische Eigenschaften besitzt,
    - einer oder mehrerer Magnetspuren auf der Kolbenstange mit sinusfoermigem Magnetfeld als Massverkoerperung,
    - eines oder mehrerer Magnetfeld-Sensoren zur elektrischen Erfassung des Magnetfeldes,
    - einer elektronischen Schaltung zur Interpolation und Messung der Kolbenposition.
    2. Laengenmassstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung auf der Kolbenstange schraubenlinienfoermig verlaeuft (Fig. 6).
    3. Laengenmassstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung auf der Kolbenstange scheibenfoermig verlaeuft (Fig. 9) .
    4. Laengenmassstab nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung in Form eines Magnetstreifens aufgebracht ist (Fig. Iu).
    5. Laengenmassstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung in Form menrerer Magnetstreifen mit gleicher (Fig. 11) oder unterschiedlicher (Fig. 7 und Fig. 8) Teilung aufgebracht ist.
    6. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Sensoren (4) in den Zylinderkopf (5) integriert sind (Fig. 1 und Fig. 12).
    7. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeiennet, dass die Magnetfeldsensoren vorzugsweise aus Hallelementen oder Ferritkernen mit Lese- und Abfragewicklung bestehen .
    8. Anordnung gemaess Anspruch 1 und Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (11) von weichmagnetischem Material umgeben sind (Fig. 12).
    9. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass (Fig. 1) die Magnetfeldsensoren (5) das Magnetfeld in folgendem Abstand erfassen:
    Abstand * ( 1/4 + η ) * Xo
    η =0,1,2,...
    Xo = Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nordpolen
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    ORIGINAL INSPECTED
    lü. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Fig. 13 die Magnetfeldsensoren (12) das Magnetfeld in folgendem Abstand erfassen:
    Abstand = (1/3 + η ) * Xo
    Xo = Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nordpolen
    11. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Magnetfeldsensoren (8) so angebracht sind, dass ihr Abstand einem ganzzahligen Vielfachen der magnetischen Polteilung entspricht (Fig. 4).
    12. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils Paare von Magnetfeldsensoren (9) mit halbem Polteilungsabstand zur Differenzbildung der elektrischen Ausgangssignale angebracht sind (Fig. 5 und Fig. 6).
    13. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 12, dadurch gakennzeichnet, dass die als Magnetfeldsensoren eingesetzten Hallelemente mit Gleichstrom oder mit sinusfoermigem Steuerstrom beaufschlagt werden.
    14. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstaerker fuer die elektrischen SignaLe aus den Magnetfeldsensoren an dem Zylinder oder dem Zylinderkopf angebracht, beziehungsweise in diese eingebaut s i nd.
    15. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Massstab (13) und Abtastkopf (14) ein Luftspalt (15,) befindet und Pressluft durch eine Bohrung (16) eingeblasen wird, um eine eventuelle Verschmutzung der Magnetfeldsensoren zu vermeiden (Fig. 14).
    16. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass in den Abtastkopf (16) eine pneumatisch betaetigte Bremse (17) integriert ist (Fig. 15).
    17. Anordnung gemaess Anspruch 1 bis 5 sowie Anspruch 7 bis und Anspruch 15 und 16 dadurch gakennzeichnet, dass anstelle der Kolbenstange eines Hydraulik- oder Pneumatikzylinders eine beliebige ortsfeste oder bewegliche Stange verwendet wird.
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