DE2945895C2 - Magnetischer Stellungsgeber für hydrauliche oder pneumatische Arbeitszylinder - Google Patents

Magnetischer Stellungsgeber für hydrauliche oder pneumatische Arbeitszylinder

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DE2945895C2 DE2945895A DE2945895A DE2945895C2 DE 2945895 C2 DE2945895 C2 DE 2945895C2 DE 2945895 A DE2945895 A DE 2945895A DE 2945895 A DE2945895 A DE 2945895A DE 2945895 C2 DE2945895 C2 DE 2945895C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Stellungsgeber mit einem beweglichen magnetischen Längenmaßstab, der eine durch Magnetisieren von Oberflächenbereichen erhaltene Permanentmagnetanordnung in Gestalt von einer oder mehreren Magnetspuren mit Nordpolen und Südpolen trägt, deren Magnetisierungsmuster einen in Bewegungsrichtung sinusförmigen Verlauf hat. mit wenigstens einem im Streufeld der Permanentmagnetanordnung befindlichen stationären Magnetfelddetektor für jede Magnetspur, der ein elektrisches Ausgangssignal liefert, und mit einer von diesem Ausgangssignal beaufschlagten Auswerteschaltung, welche ein der Relativstellung von Längenmaßstab und Detektoranordnung zugeordnetes Signal bereitstellt.
Ein solcher Stellungsgeber ist aus der deutschen Patentanmeldung W 10 407 bekannt. Er weist einen magnetischen Längenmaßstab auf. der aus einem mngnciisierbaren Material besteht und durch Magnetisieren eine Markierung erhält, die mit einem Mugnctfclcldctcktor ausgelesen wird. Es können ein oder mehrere Magnctspurcn in Gestalt magnctisierter Oberflachcnbereiche des Langenmaßstabs vorgesehen sein. Insbesondere sind zwei parallele, nach Art eines Nonius aufgebaute und von getrennten Detektoren ausgelesene Magnetspuren erwähnt. Für einen kreiszylindrischen Längenmaßstab wird eine wendeiförmige Magnetisierung vorgeschlagen. Die magnetische Zeichenfolge kann in ihrer Ausdehnung, Intensität oder Höhe periodisch veränderlich sein und insbesondere einen sinusförmigen Verlauf haben. Die ortsfest angeordenten Magnetfelddetektoren liefern elektrische Impulse, die auf eine optische oder akustische Anzeigeeinrichtung oder ein Zählwerk gegeben werden. Letzteres gibt ein der Relativstellung von Längenmaßstab und Detektoranordnung zugeordnetes Signal ab. Als Anwendungsbereich sind Maschinen, insbesondere Rechen- und Werkzeugmaschinen angegeben, bei denen bewegte Teile in ganz bestimmter Position angehalten oder sonstwie gesteuert werden sollen. Hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder sind nicht erwähnt.
Die DE-AS 11 38 240 beschreibt einen weiteren magnetischen Steüungsgeber, bei dem zur Drehzahlmessung eine rotierende, auf ihrem Umfang mit einer Vielzahl von stabförmigen Permanentmagneten belegte Scheibe von einem Magnetfelddetektor abgetastet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur präzisen Erfassung der Position und/oder Geschwindigkeit der Kolbenstange eines hydraulischen oder pneumatischen Arbeitszylinders anzugeben, die keine Änderung der geometrischen Form bzw. des Querschnitts der Kolbenstange erforderlich macht.
Diese Aufgabe wird mit einem magnetischen Stellungsgeber der genannten Art dadurch gelöst, daß die Magnetspuren auf der Kolbenstange des Arbeitszylinders aufmagnetisiert sind.
Die nicht vorveröffentlichte DE-OS 29 33 557 beschreibt einen magnetischen Stellungsgeber für einen hydraulischen oder pneumatischen Arbeitszylinder, bei dem auf die Kolbenstange in deren bewegungsrichtung abwechselnde, unterschiedliche magnetische Felder aufgetragen sind. Diese werden bei einer aus magnetisierbaren Material bestehenden Kolbenstange durch quer zu der Längsrichtung sich erstreckende Polarisierung erzeugt. Alternativ sind magnetische Einlagen an der Kolbenstange erwähnt, die in kurzen axialen Abständen mit abwechselnden Polaritäten magnetisiert sind. Die erhaltene Magnetspur wird von mindestens zwei hintereinander angeordne'en Magnetfelddetektoren abgetastet. Dabei sind das gemäß der Erfindung vorgesehene Magnetisierungsmuster der Kolbenstange mit in deren Bewegungsrichtung sinusförmigem Verlauf und die dami: beim Auslesen einhergehenden Interpolationsmöglichkeiten nicht realisiert.
Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die Geometrie der Kolbenstange nicht verändert und ihre Oberflächenbeschaffenheit nicht verschlechtert wird, die Abtastung berührungslos und damit verschleißfrei erfolgt, ein direkter Abgriff der Kolbenstange stattfindet, zusätzliche Meßfehler, wie etwa durch Verletzung des Abbe-Prinzips, vermieden werden, Unempfindlichkeit gegen Verschmutzung gegeben und eine gleichzeitige Messung von Kolbenposition und -Geschwindigkeit möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfin-
h'i dung wird jede Magnelspur von wenigstens zwei versetzt angeordneten Magnetfckldetekioren abgetastet. Diese Anordnung ermöglicht in Verbindung mit der sinusförmigen Magnetisierung die Interpolation von Stel-
lungen der Kolbenstange und eine präzise Ortsmessung auch im Subbereich einer Wellenlänge der Polteilung. Bei geeigneter Wahl des Abstands der Magnetfelddetektoren gegenüber der Polteilung der Magnetspur und entsprechender Überlagerung der erhaltenen Signale läßt sich der Einfluß des Polteilungsfehlers und anderer Fehler reduzieren, die beispielsweise durch Alterung. Temperaturschwankungen und Änderung des Luftspalts zwischen der Kolbenstange und den Magnetfelddetektoren hervorgerufen werden. Man erreicht so eine Steigerung der Meßgenauigkeit.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Teilweise schematisch zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Arbeitszylinder mit einer magnetisierten Kolbenstange und in den Zylinderkopf integrierten Magnetfelddetektoren;
F i g. 2 die sinusförmige Magnetisierung der Kolbenstange und das zugehörige Ausgangssignal zweier als Magnetfelddetektor dienender, versetzt angeordneter Hallelemente;
Fig.3 das Prinzipschaltbild einer Auswerteschaltung;
F i g. 4 die Abtastung einer Kolbenstange mit mehreren, um eine ganze Polteilung versetzten Detektoren und Summenbildung ihrer Signale;
F i g. 5 und F i g. 6 die Abtastung einer Kolbenstange mit mehreren, um eine halbe Polteilung versetzten Detektoren und Differenzbildung ihrer Signale, wobei die Kolbenstange in F i g. 5 linear und in F i g. 6 schraubenförmig magnetisiert ist;
F i g. 7 die Abtastung einer Kolbenstange mit drei um ein Drittel der Polteilung versetzten Detektoren;
Fig.8 eine Kolbenstange mit rotationssymmetrisch bezüglich ihrer Mittelachse verlaufender Magnetisierung;
Fig.9 eine Kolbenstange mit einer Magnetisierung in Form eines Magnetstreifens;
F i g. 10 e»ne Kolbenstange mit mehreren Magnetspuren gleicher Polteilung;
F i g. 11 und F i g. 12 je eine Kolbenstange mit mehreren Magnetspuren unterschiedlicher Polteilung;
Fig. 13 den Zylinderkopf eines Arbeitszylinders mit darin integrierten Magnetfelddetektoren, die von weichmagnetischem Material umget.'en sind;
Fig. 14 eine Anordnung, bei der sich zwischen der magnetisierten Kolbenstange und der Oberfläche eines Magnetfelddetektors ein Spalt befindet, der zur Reinhaltung mit Preßluft durchblasen werden kann:
F i g. *5 eine Anordnung, bei der Magnetfelddetektoren in eine gegen die magnetisierte Kolbenstange wirkende, pneumatisch betätigte Bremse integriert sind.
Fig. 1 zeigt einen hydraulischen oder pneumatischen Arbeitszylinder, der mit einem magnetischen Stellungsgeber zur Erfassung der Position und/oder Geschwin- digkeit der Kolbenstange 1 ausgerüstet ist. Hierzu ist ein Längenmaßstab auf die Kolbenstange 1 aufmagnetisiert, die dadurch im Bereich ihrer Oberfläche permanentmagnetische Eigenschaften erhält. Der Längenmaßstab hat die Gestalt einer oder mehrerer Magnet- &o spuren mit Nordpolen 3 und Siidpolen 4. Die Teilung ΛΌ des Längenmaßstabs entspricht dem Abstand /.wischen zwei gleichnamigen Polen. Mit HiIFe von Magnetfelddetektoren 5, die sich an dem Zylinderkopf 2 des Arbeitszylinders befinden 'κοηηεη, wird die magnetische Tei- -,5 lung erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt. Diese werden einer elektronischen Auswertungsschaltung überstellt und für die bei dem industriellen Einsatz von Stell- und Atbeitszylindern vielfältig auftretenden Steuerungs- und Regelungsaufgaben nutzbar gemachi.
Der beschriebene Stellungsgeber mit einem auf die Kolbenstange aufmagnetisierten Längenmaßstab. Magnetfelddetektoren und einer elektronischen Auswertungsschaltung läßt sich bei geringem Kostenaufwand in hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder integrieren, ohne daß eine Volumenvergrößerung der Zylinder ein;ritt. Die mechanischen Eigenschaften der Kolbenstange und des Zylinders werden nicht negativ beeinflußt. Es ergeben sich keine zusätzlichen Dichtungsund Verschleißprobleme an der Austrittsstelle der Kolbenstange 1 aus dem Zylinderkopf 2; insbesondere lassen sich die herkömmlichen Dichtungen für die Kolbenstange ohne Einschränkungen einsetzen. Es lassen sich kontinuierlich alle Kolbenstellungen erfassen, und es ist eine Ermittlung der Kolbengeschwindigkeit möglich.
Die Kolbenstange 1 kann mit einer oder mehreren Magnetspuren versehen sein. Die relativ geringen permanentmagnetischen Eigenschaften von Kolbenstangenmaterialien erlauben nur relativ grooe magnetische Teilungen, so daß zur Erzielung einer hinreichenden Auflösung vorzugsweise Interpolationsverfahren angewendet werden. Die in der Auswertungsschaltung erfolgende interpolation wird durch eine sinusförmige Magnetisierung der Kolbenstange ermöglicht (vgl. F i g. 2).
Die Magnetfelddetektoren können aus Ferritkernen mit Lese- und Abfragewicklung oder Hallelementen bestehen und von weichmagnetischem Material umgeben sein. Bei Hallelementen ist die Ausgangsspannung U proportional zum Steuerstrom / und der magnetischen Feldstärke H:
U = K*1*H
Bei in der Fig. 1 gezeigten Anordnung erfassen die Magnetfelddetektoren 5 das Magnetfeld in einem Abstand, der einem Viertel der Polteilung entspricht:
Abstand = (1/4 + n)* X0
η = 0.1,2....
Xq — Polteilung: z. B. Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nordpolen.
Man erhält dann in Abhängigkeit von der Kolbenposition als Signal des einen Hallelements:
Uh\ = K *I*sm(2*P\* x/Xo)
Ein urn ein Viertel der Polteilung versetzt angebrachtes zweites Halleiement gibt folgendes Arsgangssignal ab:
Uh2 = K* I* cos(2 * Pi * x/X0)
Die Bestimmung der Kolbenposition .v kann aus dem Verhältnis der beiden Spannungen nach der Beziehung:
X = (ΛΌ/2ΡΪ) * arctan (UhMUhI)
gewonnen werden.
Eine weitere Möglichkeit ergibt sich aus folgender Überlegung:
Betrachtet man den Steuerstrom /. das Magnetfeld H der Kolbenstange und die Ausgangsspannung U der
Hallelemente als Vektoren, so ergibt sich die Ausgangsspannung aus der vektoriellen Multiplikation des Steuerstromes mit dem Magnetfeld:
U= I'H
Die Ausgangsspannung U ist um den Winkel Alpha gegenüber dem Eingangsstrom /phasenverschoben:
Alpha = 2 # Pi * xZX0
Man kann nun in einem Nachlaufverfahren die Phasenlage des Steuerstromes /so ausregeln, daß die Phasenlage der Ausgangsspannung null bleibt. Die hierzu notwendige Phasenverschiebung ist ein direktes Maß für die Kolbenposition. In Fig. 3 ist das Prinzip einer Schaltung für diese Nachlaufsteuerung dargestellt:
Die Summe der Ausgangsspannungen aus den HaII-eiementen wird einem Komparator zugeführt, weicher über einen Vorwärts-Rückwärtszähler die Phasenlage der Steuerströme und Il solange verändert, bis das Komparatorsignal null ist. Der Zählerstand entspricht dann der Kolbenposition.
Tastet man die Kolbenstange mit zwei Hallelementen ab, die mit sinusförmigen Steuerströmen / 1 und /2 unterschiedlicher Amplitude gespeist werden und deren Abstand einem Viertel der magnetischen Polteilung entspricht, so erhält man:
UhI = K\* Il sin wt * sin (2 * Pi *
UhI = Kl ' 12 sin wt ' cos (2 · Pi * xZX0)
Die als Magnetfelddetektoren eingesetzten Hallelemente können also mit Gleichstrom oder mit einem sinusförmigen Steuerstrom beaufschlagt werden. Die Verstärker für die elektrischen Signale der Magnetfelddetektoren können an dem Arbeitszylinder, insbesondere an dessen Zylinderkopf 2 angebracht bzw. darin eingebaut sein.
Beim Abtasten des magnetischen Maßstabs mit mehreren Magnetfelddetektoren läßt sich durch Mittelwertbildung der Ausgangssignale eine Reduzierung des Einflusses des Polteilungsfehlers erreichen. Gemäß Fig.4 sind mehrere Magnetfelddetektoren 8 so angebracht, daß ihr Abstand einem ganzzahligen Vielfachen der magnetischen Polteilung entspricht. Das Signal dieser Magnetfelddetektoren 8 wird addiert.
Gleichspannungsfehler, welche z. B. durch Alterung, Temperaturdrift oder Änderung des Luftspaltes zwischen der Kolbenstange und den Magnetfelddetektoren hervorgerufen werden, lassen sich durch die Differenzbildung der elektrischen Ausgangssignale von Magnetfelddetektoren 9 unterdrücken, wenn diese den magnetischen Maßstab 10 im Abstand einer halben Poltrennung abtasten (vgl. F i g. 5 und F i g. 6). Bei F i g. 5 verläuft die Magnetisierung auf der Kolbenstange 1 linear, und bei Fig.6 schraubenlinienförmig. Es sind jeweils Paare von Magnetfelddetektoren 9 mit halbem Polteilungsabstand zur Diffferenzbiidung ihrer elektrischen AusgangLjignale angebracht.
In der Anordnung der Fig. 7 erfassen die Magnetfelddetektoren 12 das Magnetfeld in folgendem Abstand:
Diese beiden Signale lassen sich analog zu den Signalen induktiver Geber auswerten. Siehe H. Walcher »Digitale Lagenmeßtechnik«. VDI-Verlag, Düsseldorf. 1974. Seite 71, Tabelle 4. Fall 4: Erregung der Rotorwicklung* S^nslsb^abe an beiden St3torw!ck!uniyen.
Das Amplitudensteuerverfahren (Walcher, a.a.O., Seite 71, Tabelle 4, Fall 1) kann durch die Summenbildung:
u/?3 = uhl + uh2
= K3 ' I * sin ivf · sin (2 * Pi
= K3 * I * sin wt * sin Alpha
eingesetzt werden.
Die Beziehung:
xZX0 + Phil)
40
45
Alpha = arctan(unl/u/?2)
wird in Walcher. a.a.O.. Seite 71. Tabelle 4. Fall 2 zur Lageregelung benuizt.
Im Phasensteuerverfahren (Walcher. a.a.O.. Seite 71. Tabelle 4. Fall 3) wird das Hallelement Wl von einem sinusförmigen und das Hallelement Hl von einem cosinusförmigen Steuerstrom durchflossen (vgl. F i g. 3). Es gilt dann:
uh\ = K * / * sin wt * sin (2 * Pi * xZX0) uhl = K' I* cos wf * cos(2 * Pi * XZX0)
und mit
uh3 = uhl ~ uhl
uhZ = Kl* Γ sin (wt + 2 * Pi * x/Xa) = K3* I* sin (wt + Alpha)
60 Abstand = (1/3 + n)* X0
mit:
η
Xo
= Polteilung
Die Magnetisierung kann rotationssymmetrisch zur Längsmittelachse der Kolbenstange 1 verlaufen (vgl. Fig.8). Doch kann die Magnetisierung auch in Form eines Magnetstreifens aufgebracht sein (vgl. F i g. 9). Auch eine Magnetisierung in Form mehrerer Magnetstreifen mit gleicher Teilung ist möglich (vgl. F i g. 10).
Bei den bisher behandelten Abtastverfahren handelt es sich um zyklisch absolute Verfahren, da sie nur innerhalb einer Periode von χ absolut sind. Verwendet man jedoch magnetische Maßstäbe mit mehreren Magnetspuren unterschiedlicher Polteilung (vgl. F i g. 11 und F i g. 12), so läßt sich die absolute Abtastperiode vervielfachen. Die Grobinterpolation kann nach Fig. 11 anhand der Magnetspur mit der größeren Polteilung, oder auch Fig. 12 anhand der Phasenverschiebung zwischen den Magnetspuren erfolgen.
Fig. 13 zeigt einen Zylinderkopf mit darin integrierten Magnetfelddetektoren 11, die von weichmagnetischem Material umgeben sind.
Wie Fig. 14 zeigt, kann sich zwischen dem magnetischen Maßstab 13 und dem Abtastkopf 14 ein Luftspalt 15 befinden, in den Preßluft durch eine Bohrung 16 eingeblasen wird, um eine eventuelle Verschmutzung der Magnetfelddetektoren zu vermeiden.
Gemäß F i g. 15 kann ein die Magnetisierung der Kolbenstange erfassender Abtastkopf 16 in eine pneumatisch betätigte Bremsvorrichtung 17 integriert sein, die auf die Kolbenstange wirkt.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Magnetischer Stellungsgeber für hydraulische oder pneumatische Arbeitszylinder mit einem beweglichen magnetischen Längenmaßstab, der eine durch Magnetisieren von Oberflächenbereichen erhaltene Permanentmagnetanordnung in Gestalt von einer oder mehreren Magnetspuren mit Nordpolen und Südpolen trägt, deren Magnetisierungsmuster einen in Bewegungsrichtung sinusförmigen Verlauf hat, mit wenigstens einem im Streufeld der Permanentmagnetanordnung befindlichen stationären Magnetfelddetektor für jede Magnetspur, der ein elektrisches Ausgangssignal liefert, und mit einer von diesem Ausgangssignal beaufschlagten Auswerteschaltung, welche ein der Relativstellung von Längenmaßstab und Detektoranordnung zugeordnetes Signal bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß öle Magnetspuren auf der Kolbenstange des Arbeitszyiinders aufmagnetisiert sind.
2. Magnetischer Stellungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Magnetspur von wenigstens zwei versetzt angeordneten Magnetfelddetektoren abgetastet wird.
3. Magnetischer Stellungsgeber nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Polteilung der Magnetspur die Magnetfelddetektoren um ein (1/4 + n^-faches versetzt sind.
4. Magnetischer Stellungsgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Polteilung der Magnetspur jeweils drei Magnetfelddetektoren um ein (1/3 + n/faches einer Polteilung versetzt sind.
5. Magnetischer Stellungsgeber nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Polteilung der Magnetspur die Magnetfelddetektoren im Abstand eines ganzzahligen Vielfachen angeordnet sind.
6. Magnetischer Stellungsgeber nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelddetektoren im Abstand einer halben Polteilung der Ma gnetspur versetzt angeordnet sind.
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