DE3038835A1 - Druckmittelbetriebener schwingungserzeuger und dadurch angetriebener hammer - Google Patents

Description

PATENTANWALT

Dipl. ing. E. HOLSER 5HIMPFINB -WtSLSEB - STKASSB 14 8900 AÜGSBUfiQ

TELEFON Β1β*7β

ΤΕΧ,κχ 633aoa paioi i

M. 653

Augsburg, den 13. Oktober 198Ο

The Secretary of State for Industry in Her Britannic Majesty's Government

of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, 1 Victoria Street, London SWlH OET, England

Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger und dadurch

angetriebener Hammer

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen Schwingungserzeuger nach dem Oberbegriff des Anspruchs sowie einen damit angetriebenen Hammer.

Mit Druckmittel betriebene, insbesondere hydraulische Schwingungserzeuger finden in der Fertigungstechnik und

in der Bautechnik weitverbreitete Anwendung, beispielsweise zum Schmieden von Metallteilen, zum Stoßen und Stanzen von Teilen aus BIec!material und zum Pfahleintreiben. In allen diesen Fällen arbeitet die Anordnung als Hammerantrieb und ist daher in hohem Maße Vibrationen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Solche Schwingungserzeuger sollen deshalb so kräftig wie möglich gebaut sein, und auch die zugehörige Steuereinrichtung soll im Rahmen des praktisch möglichen so robust wie irgendwie möglich sein. Ein hydraulischer oder pneumatischer Schwingungserzeuger kann mit einer Steuereinrichtung ausgestattet werden, welche die Geschwindigkeit und die Kraft der einzelnen Schwingungshübe steuert. Hydraulische oder pneumatische Steuereinrichtungen sind zwar an sich robust, sie sind jedoch schwerfällig und langsam und lassen sich nicht ohne weiteres an wechselnde Anforderungen anpassen. Außerdem können Ströungssteuereinrichtungen als solche im allgemeinen nicht im Hinblick auf ein bestimmtes Ansprechen beim Auftreten einer bestimmten Situation oder im Hinblick auf eine automatische Ablaufsteuerung einer vorgegebenen Tätigkeitsfolge vorprogrammiert werden. Aus diesem Grund und auch, um die Steuereinrichtung weniger schwerfällig zu machen und ihr Ansprechverhalten zu verbessern, ist es zweckmäßig, statt hydraulischer oder pneumatischer Einrichtungen eine elektrische Steuereinrichtung

130018/0774

zu verwenden. Bisher verwendete elektrische Steuereinrichtungen sind jedoch nicht ausreichend robust, um bei schweren Beanspruchungen und ungünstigen Umgebungsbedingungen zufriedenstellend und zuverlässig arbeiten zu können, und sie erfordern außerdem komplizierte Reparaturvorrichtungen und geschultes Reparaturpersonal, das in Störungsfällen dann nicht ohne weiteres und sofort verfügbar ist.

Die bekannten elektrischen Steuereinrichtungen arbeiten mit Analogmessungen von jeweiliger Kolbenposition und Kolbenbewegungsgeschwindigkeit, jedoch ist die dafür vorgesehene Meßapparatur etwas problematisch. Typischerweise weist sie einen Arm auf, der mit seinem einen Ende an der hin- und hergehenden Kolbenstange befestigt ist und an seinem anderen Ende den Schleifkontakt eines speziell ausgebildeten Potentiometers trägt, das am Hydraulikzylinder des Schwingungserzeugers angebracht ist und ein Spannungsausgangssignal erzeugt, das jeweils proportional dem Bewegungsweg der Kolbenstange aus dem Hydraulikzylinder heraus ist. Die Änderungsgeschwindigkeit des Spannungssignals ist dann ein Maß für die Kolbenbewegungsgeschwindigkeit der Datenausgang dieser Analogmeßeinrichtung ist an eine elektronsche Verarbeitungsschaltung angeschlossen, welche ein analog arbeitendes elektrohydraulisches Servo-

130018/0774

ventil steuert, welches das Stellglied zur Einstellung der Druckmittelströmung zu den jeweiligen Beaufschlagungsflächen des hin- und hergehenden Kolbens darstellt. Bei dieser bekannten Anordnung sind sowohl die analoge Meßeinrichtung als auch das elektrohydraulische Servoventil ziemlich teuer und kompliziert und erfordern daher in hohem Maße sachkundige Wartung. Aus diesen Gründen sind derartige bekannte Einrichtungen für Anwendungen im Bereich der Bautechnik und für hochbeanspruchte Maschinen überhaupt höchst ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen druckmittelbetriebenen Schwingungserzeuger der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Steuerung zu verbessern, um die oben erläuterten Schwierigkeiten möglichst weitgehend zu bewältigen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Vorzugsweise ist der Kolben durch einen konstanten Druckmitteldruck, der auf die der Kolbenstange zugewandte, kleinere Kolbenfläche wirkt, zum einen Ende des Druckzylinders hin vorgespannt. Dabei wird die andere, größere

130018/0774

Kolbenstirnfläche abwechselnd mit einem gegenüber dem auf die kleinere Kolbenstirnfläche wirkenden Vorspanndruck kleineren oder gleich hohen Arbeitsdruck beaufschlagt, d.h. die Ventileinrichtung schaltet die Druckmittelzuleitung zu der an die größere Kolbenstirnfläche angrenzenden Zylinderkammer abwechselnd zwischen niedrigem und hohem Druckpegel um. Dadurch schwingt der Kolben im Zylinder mit einer Frequenz und einem Hub hin- und her, die von den relativen, auf die beiden Kolbenstirnflächen wirkenden Drücken und von der Umsehaltfrequenz des Arbeitsdruckes abhängig sind. In der Praxis spielt die für den Druckumschaltvorgang erforderliche Zeitspanne ebenfalls eine Rolle, jedoch ist es wünschenswert, diese ümschaltzeit möglichst klein zu halten, um eine möglichst saubere Schaltfunktion zu erhalten.

Als Arbeitshub kann entweder die Hubphase, während welcher die Kolbenstange sich in den Zylinder hineinbewegt, oder die Arbeitsphase verwendet werden, während welcher sich die Kolbenstange aus dem Zylinder herausbewegt,, Im allgemeinen benützt man die Hubphase, während welcher sich die Kolbenstange aus dem Zylinder herausbewegt, als Arbeitshub, insbesondere wenn der Schwingungserzeuger zum Antrieb einer Vorrichtung beispielsweise

1300-18/Q77*

- 10 zum Pfahleintreiben dient.

Um eine möglichst saubere, d.h. möglichst genau definierte Schaltfunktion zu erhalten und auch wegen ihrer gegenüber den bisher verwendeten proportional verstellbaren Ventilen robusteren Beschaffenheit findet als Ventileinrichtung vorzugsweise ein einfaches Auf-Zu-Schaltventil Anwendung. Es stehen hydraulische Auf-Zu-Ventile zur Verfügung, die ausreichend schnell schalten, um eine gute dynamische Steuerung zu erhalten, und da diese Ventile stets im wesentlichen vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sind, gestatten sie einen wirtschaftlicheren Betrieb als herkömmliche Proportionalventile, bei denen aufgrund ihrer Wirkungsweise im Sinne einer mehr oder weniger starken kontinuierlichen Strömungsdrosselung ein beträchtlicher Energieverlust in Kauf genommen werden muß. Auf-Zu-Ventile sind außerdem billiger als Proportionalventile, und zwar nicht nur in der Anschaffung, sondern auch in der Wartung. Schließlich sind Auf-ZuVentile auch deshalb besonders vorteilhaft, weil das zu ihrer Steuerung erforderliche Ausgangssignal der Steuerschaltung nur ein einfaches Binärsignal zu sein braucht, das nur zwei mögliche Signalzustände entsprechend den beiden möglichen Schaltzuständen des Ventils hat.

130018/0774

Ein für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen
Schwingungserzeuger besonders geeignetes Ein-Aus-Ventil ist ein schnellwirkendes Ventil, bei welchem der Schaltvorgang durch ein hydraulisches Signal eingeleitet wird» Dieses hydraulische Signal wird zweckmäßigerweise mittels eines Miniatur-Magnetventils erzeugt, bei welchem aufgrund eines elektrischen Eingangssignals ein kleiner Elektromagnet erregt und dadurch ein binäres Drucksignal als
Ausgangssignal erzeugt wird. Dieses hydraulische Signal bewirkt dann eine hydraulische Umschaltung des Ein-Aus-Ventils. Eine alternative, aber wegen des höheren elektrischen Leistungsbedarfs weniger vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, dem Hauptventil einen großen Elektromagneten zuzuordnen, um damit das Hauptventil direkt zu schalten. In diesem Falle ist natürlich notwendig, das
elektrische Steuersignal entsprechend zu verstärken, um das zum Erregen des großen Elektromagneten erforderliche elektrische Leistungssignal bereitzustellen.

Die Einrichtung zur Peststellung der jeweiligen
Kolbenposition weist vorzugsweise eine Anzahl einzelner Positionsfühler auf, die entlang des Bewegungsweges der Kolbenstange normalerweise außerhalb des Druckzylinders in Reihe angeordnet sind. Obwohl die Positionsfühler

130018/0774

natürlich auch am Kolben angeordnet sein können, sind sie normalerweise direkt oder indirekt am Zylinder montiert. Die Kolbenstange kann ihrerseits direkt oder indirekt ein Gegenelement tragen, das mit den Positionsfühlern zusammenwirkt, um die einzelnen Positionsfühler nacheinander während der Kolbenstangenbewegung zur Abgabe eines Anzeigesignals zu veranlassen. Dazu können die Positionsfühler beispielsweise von einem von der Kolbenstange wegragenden Gegenelement jeweils mechanisch betätigt werden. Beim Einsatz des Schwingungserzeugers in Hochleistungsmaschinen ist jedoch eine kontaktfreie Anordnung der Positionsfühler zu bevorzugen, d.h. die Positionsfühler haben an keiner Stelle des Kolbenstangenbewegungsweges mit dieser Berührung. Dadurch wird sichergestellt, daß keine mechanischen Stöße auf die Positionsfühler übertragen werden, zumindest nicht direkt über die Kolbenstange, welche im Betrieb natürlich den größten Stößen ausgesetzt ist. Dabei ist gleichzeitig zu bemerken, daß digitale Positionsfühler ohnehin in den meisten Fällen beträchtlich robuster als die bisher verwendeten analogen Positionsfühler sind. Durch sorgfältige Montage der Positionsfühler an der Anordnung in der Weise, daß sekundäre Stöße minimal gehalten werden, läßt sich bei den erfindungsgemäß verwendeten Positionsfühlern eine

130010/0774

wesentlich längere Lebensdauer und. eine zuverlässigere und weniger störungsanfällige Funktion erreichen, als dies bei den verhältnismäßig bruchempfindlichen bekannten Fühlerbauarten möglich ist.

Zu den für den Einsatz bei den erfindungsgemäßen Schwingungserzeuger geeigneten Positionsfühlerbauarten gehören Mikroschalter, magnetische Näherungsschalter oder Leuchtdioden mit zugeordneten Fototransistoren. Die beiden letzgenannten Fühlerbauarten arbeiten mit einem Luftspalt von etv/a 1 mm zwischen den Positionsfühlern und der Oberfläche der Kolbenstange, der normalerweise dem erforderlichen Mindestspielraum zur Vermeidung einer Berührung zwischen den Fühlern und der Kolbenstange entspricht. Positionsfühler dieser Bauarten sind nicht besonders teuer und eine vollständige Fühleranordnung für einen gegebenen Schwingungserzeuger ist im allgemeinen billiger als eine gleichwertige analog arbeitende Meßeinrichtung und erfordert vielleicht nur den halben Kostenaufwand der letzteren.

Die Anzahl der Positionsfühler zur Steuerung eines gegebenen Schwingungserzeugers hängt natürlich von dessen Größe, insbesondere von seiner Hublänge, und von dem

130018/0774

jeweils gewünschten Maß an Genauigkeit der Positionsfeststellung ab. Die Positionsfühler brauchen jedoch nicht mit gleichen gegenseitigen Abständen angeordnet zu sein, was in der Praxis im allgemeinen auch gar nicht der Fall ist, sondern sie können in denjenigen Bereichen des Kolbenstangenbewegungsweges, in denen eine genaue Bestimmung der jeweiligen Kolbenposition erforderlich ist, mit engen gegenseitigen Abständen und in den anderen Bereichen des Bewegungsweges, in denen keine große Genaugigkeit der Kenntnis der jeweiligen Kolbenposition erforderlich ist, mit größeren gegenseitigen Abständen angeordnet sein. Im allgemeinen bedeutet dies, daß die Anordnungsdichte der Positionsfühler in den Endbereichen des Kolbenstangenbewegungsweges und in der Nähe der Schaltpunkte groß und außerhalb dieser Bereiche geringer ist. Beispielsweise ist für einen Schwingungserzeuger mit einer Hublänge von 1,5 m eine Positionsfühleranzahl von 32 ausreichend, jedoch können auch, je nach den besonderen Umständen, 16 oder 64 Positionsfühler zweckmäßiger sein.

Die Positionsfühler können so angeordnet sein, daß sie entlang des Bewegungsweges der Kolbenstange verschiebbar sind, wobei es zu diesem Zweck beispielsweise

130018/0774

zweckmäßig ist, die Positionsfühler an einer Halteschiene zu montieren, die entlang des Bewegungsweges der Kolbenstange verläuft. Die Anordnung der Positionsfühler, insbesondere hinsichtlich ihrer gegenseitigen Abstände, läßt sich dann leicht entsprechend wechselnder Anforderungen verändern, und auch die Anzahl der Positionsfühler der Anorndung kann gewünschtenfalls ohne Schwierigkeiten verändert werden. Die Tragschiene für die Positionsfühler ist vorzugsweise elastisch am Schwingungserzeuger gehaltert, um auf diesen wirkende mechanische Stöße zu verringern.

Die Positionsfühler erzeugen jeweils ein elektrisches Digitalsignal, das beispielsweise ein Binärsignal sein und anzeigen kann, ob der Kolben ich gerade in Höhe des betreffenden Positionsfühlers befindet oder nicht, oder, falls mehrere verschiedene Teile des Kolbens in unterschiedlicher Weise mit den Positionsfühlern zusammenwirken, ob ein bestimmter Kolbenteil sich in Höhe des jeweiligen Positionsfühlers befindet oder nicht.

Die Verarbeitungsschaltung ist bei geeigneter Programmierung in der Lage, aus den paralellen Eingangssignalen aller Positionsfühler der Positionsfühleranordnung die jeweilige Position des Kolbens entlang dessen Be-

130018/0774

wegungsweges zu bestimmen und seine Bewegungsgeschwindigkeit zu errechnen. Die Verarbeitungsschaltung kann für die jeweils gegebene Kolbenfunktion so programmiert werden, daß sie den Schwingungserzeuger in der erforderlichen V/eise steuert, beispielsweise zur Erzeugung von Schlagen mit bestimmter Wiederholungsfrequenz und mit einem bestimmten jeweiligen Energieinhalt, wobei die Verarbeitungsschaltung lediglich das entsprechende öffnen und Schließen des Druckmittelventils in den jeweils richtigen Zeitpunkten bewirkt, um die jeweils gewünschte Arbeitsfolge herbeizuführen.

Diese einfache Art der Programmierung eignet sich in Fällen, in denen der Belastungsfaktor, d.h. die bei jedem Schlag gewünschte Energie, im wesentlichen konstant bleibt, beispielsweise bei sich wiederholenden Schmiedeoder Stanzvorgängen, aber in manchen anderen Fällen, beispielsweise beim Pfahleintreiben, kann sich der Belastungsfaktor in Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit der jeweils von dem Pfahl zu durchdringenden Bodenschicht ändern. Es ist dann wichtig, daß das Programm für die Verarbeitungsschaltung in gewissem Maße eine automatische Steuerung des Schwingungserzeugers vorsieht, um sicherzustellen, daß der Schwingungserzeuger einerseits den Pfahl nicht durch einen zu heftigen Schlag zu tief eintreibt

130018/0774

oder andererseits keinen nur so schwachen Schlag erzeugt, daß der Pfahl kaum oder überhaupt nicht weiterbewegt wird. In diesen Fällen wird die Verarbeitungsschaltung daher so programmiert, daß sie sowohl die jeweiligen Kolbenpositions- als auch die Geschwindigkeitsdaten aus den Ausgangssignalen der Positionsfühler im Sinne einer Bestimmung beispielsweise der bereitzustellenden Schlagenergie auswertet und die Ventilsschaltfolge automatisch entsprechend steuert, um die jeweils richtige Arbeitshublänge zu erzeugen, damit sich eine Schlagenergie entsprechend dem gewünschten voreingestellten Pegel ergibt. Je länger der Arbeitshub ist, während welchem das Ventil auf Hochdruckbeaufschlagung des Zylinders geschaltet ist, desto größer ist natürlich die Impulsenergie, die der Kolben bei jedem Schlag abgibt.

Handelt es sich bei der Ventileinrichtung um ein Auf-Zu-Ventil, das, wie oben erläutert, die zu bevorzugende Ventilbauart darstellt, sollte das Ausgangssignal der Verarbeitungsschaltung Binärform haben, also einfach ein Signal mit zwei möglichen Zuständen entsprechend der Öffnung bzw. Schließung des Ventils sein. Haben die Eingangssignale zur Verarbeitungssehaltung ebenfalls Binärform, braucht es sich bei der Verarbeitungsschaltung nicht um eine besonders

130018/0774

entwickelte Schaltung handeln und die erforderlichen Funktionen lassen sich mit einem Mikroprozessor bewältigen, der verhältnismäßig billig im Vergleich zu dem komplizierteren Analogrechner ist, der bei Schwingungserzeugern mit analog arbeitender Steueranordnung erforderlich ist. Jedoch kann es zweckmäßig sein, zusätzlich zu einem Mikroprozessor eine Parallelbit-Selektionslogikschaltung einzusetzen., welche die parallelen Eingangs signale von den Positionsfühlern analysieren und die jeweilige Stelle entlang der Anordnung der Positionsfühler feststellen kann, die ein an der Kolbenstange angeordnetes Bezugselement im jeweiligen Zeitpunkt erreicht hat, und diese Information an den Mikroprozessor übermittelt. Die zusätzliche Verwendung der Selektionslogxkschaltung setzt einen Teil der Rechenkapazität des Mikroprozessors für andere Zwecke frei, so daß dieser schnellere Berechnungen aufgrund der jeweils erhaltenen Positionseingangsdaten durchführen und so ein schnelleres Ansprechverhalten des Regelkreises sicherstellen kann.

Was die hydraulische Schaltung des erfindungsgemäßen Schwingungserzeugers betrifft, so kann diese vollständig herkömmlicher Bauart sein, so daß es sich erübrigt, hier auf konstruktive Einzelheiten des Druckzylinders, des

130018/0774

Kolbens, der Kolbenstange und anderer mechanischer Bauteile der Anordnung einzugehen, da diese dem Fachmann ohnehin geläufig sind. Wie bereits erwähnt, wird der Druck mit der von der Kolbenstange durchsetzten Zylinderkammer vorzugsweise im wesentlichen konstant gehalten, was dadurch erfolgen kann, daß diese Zylinderkammer ständig an eine Hochdruckleitung, beispielsweise mit einem Druck von l4O bar, angeschlossen ist, wobei diese Hochdruckleitung einen Druckspeicher enthält, um durch die hin- und hergehende Kolbenbewegung im Zylinder verursachte Druckschwankungen auszugleichen. Die andere, zwischen dem anderen Zylinderende und der größeren Kolbenstirnfläche gelegene Zylinderkammer ist an die Auslaßseite des Auf-ZuVentils angeschlossen. Bei dieser Anordnung ist die letztere Zylinderkammer, wenn sich das Ventil in seiner einen Schaltstellung befindet, mit der an die Einlaßseite des Ventils angeschlossenen Hochdruckspeiseleitung verbunden, während sie in der anderen Schaltstellung des Ventils mit einer Niederdruckleitung verbunden ist. Im letzteren Schaltzustand des Ventils wird die Verbindung an die Niederdruckleitung als Entleerungsöffnung, so daß Hydraulikmittel aus der Zylinderkammer heraus und über das Ventil in die Niederdruckleitung gedrückt werden kann. In der ersteren Schaltstellung des Ventils wird der Kolben trotz gleichen

130018/0774

Druckes auf beiden Kolbenseiten im Zylinder verschoben, da die ventilseitige Kolbenstirnfläche größer ist als die teilweise durch die Kolbenstange verdeckte andere Kolbenstirnfläche. In der anderen Ventilschaltstellung ist die ventilseitige Kolbenstirnfläche druckentlastet, und durch geeignete Auslegung der beiden KoIbenstirnflachen läßt sich leicht erreichen, daß der Kolben dann im Zylinder zurückgeschoben wird, da das Produkt aus Druck und Fläche auf der kolbenstangenseitxgen Kolbenstirnseite dann größer als das entsprechende Produkt auf der anderen Kolbenstirnseite ist. Durch Umschalten des Ventils in den jeweils richtigen Zeitpunkten bzw. an den jeweils richtigen Stellen des Kolbenbewegungsweges läßt sich der Kolben im Zylinder hin- und hertreiben.

Obwohl die Verwendung eines Auf-Zu-Ventils im allgemeinen zu bevorzugen ist, kann es unter gewissen Umständen wünschenswert sein, die der jeweils anderen Kolbenstirnseite zugeordnete Zylinderkammer mit der Niederdruckleitung zu verbinden, wenn die der einen Kolbenstirnseite zugeordnete Zylinderkammer mit der Hochdruckleitung verbunden ist. In diesen Fällen finden vorzugsweise ein einfaches elektromagnetisch betätigtes Strömungsrichtungteuerventil Anwendung. Bei einem solchen Ventil mit

130018/0774

zwei Auslassen ist der eine Ventilsauslaß mit der einen Zylinderkammer auf der einen Seite des Kolbens und der andere Ventilauslaß mit der anderen Zylinderkammer auf der anderen Seite des Kolbens verbunden. Im Betrieb verbindet dieses Ventil jeweils den einen Auslaß mit der Hochdruckleitung und den anderen Auslaß mit der Niederdruckleitung, und umgekehrt. Ein solches Ventil läßt sich leicht mittels eines binären Ausgangssignals eines Mikroprozessors in der gleichen Weise wie ein Auf-Zu-Ventil steuern.

Wird der Schwingungserzeuger zum Pfahleintreiben oder als Schmiedehammer eingesetzt, trägt die Kolbenstange an ihrem freien Ende einen Hammerkopf und als Arbeitshub wird normalerweise der Auswärtshub der Kolbenstange aus dem Zylinder benutzt. Beim Einsatz zum Metallstanzen kann in manchen Fällen der Rückwärtshub als Arbeishub zweckmäßiger sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

Pig. 1 Eine schematische Darstellung eines

Schwingungserzeugers, wobei die

130018/0774

hydraulische und elektrische Schaltung mit einem Auf-Zu-Ventil dargestellt ist,

Fig. 2 die hydraulische Schaltung für

einen Schwinungserzeuger mit einem Strömungsriehtungssteuerventil,

Fig. 3A einen Ausschnitt der Kolbenstange

in Verbindung mit einem Positionsfühler in Form einer Leuchtdiode mit zugeordnetem Fototransistor,

Figo 3B eine Darstellung ähnlich Fig. 3A

mit einem Positionsfühler in Form eines Näherungsschalters,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild der

allgemeinen elektrischen Schaltung eines Schwingungserzeugers der in Fig. 1 gezeigten Art, wobei die Positionsfühler induktive Transistoren sind, und

Fig. 5 ' eine logische Schaltung zum digitalen Auswerten der Ausgangssignale

130018/0774

einer Reihe von Positionsfühlern.

Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Schwingungserzeuger 1, der einen beispielsweise aus Stahl bestehenden Druckzylinder 2 aufweist, in welchem ein Kolben 3 verschiebbar ist. Einstückig mit dem Kolben 3 ist eine Kolbenstange 4 ausgebildet, die aus gehärtetem Stahl besteht. Alternativ dazu können Kolben und Kolbenstange als gesonderte Teile ausgebildet sein, die fest miteinander verbunden sind. Die Kolbenstange 4 ragt aus dem Druckzylinder heraus und trägt an ihrem freien Ende ein nichtdargestelites Werkzeug. Die Durchführungsöffnung in der Zylinderstirnwand für die Kolbenstange ist mit einer Dichtung 5 ausgestattet, um ein Auslecken von Druckmittel entlang der Kolbenstange aus dem Druckzylinder zu verhindern. In das kolbenstangenseitige Zylinderende mündet eine Hochdruckleitung 6, die, wie die hydraulische Schaltung zeigt, ständig an die Hochdruckspeiseleitung HP angeschlossen ist. An die Hochdruckleitung ist außerdem ein Druckspeicher 7 angeschlossen, der dazu dient, den Druck in der Hochdruckleitung 6 und in dem in der Zeichnung rechten Teil des Zylinders, d.h. in der Zylinderkammer 8, konstant zu halten.

Der andere, in der Zeichnung linke Teil des Zylinders, d.h. die Zylinderkammer 9, steht über eine Leitung 10 mit

130018/0774

einem Ventil 11 in Verbindung, dessen Einlasse 12 und an die Hochdruckspeiseleitung HP bzw. an eine Miederdruckleitung LP angeschlossen sind.

Entlang der Kolbenstange 4 ist eine Reihe von einzelnen Positionsfühlern 14 angeordnet. Diese übermitteln Meßsignale in Form von BinärSignalen, d.h. in Form von Ein-Aus-Signalen, an eine Mikroprozessorschaltung 15_S welche diese Meßsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon binärkodierte Steuersignale an ein Miniatur-Magnetventil 16 abgibt. Dieses Miniatur-Magnetventil ist über Leitungen 17 und 18 an die Hochdruckspeiseleitung HP bzw. an die Niederdruckleitung LP angeschlossen und erzeugt ein auf das als Auf-Zu-Ventil ausgebildete Hauptschaltventil 11 wirkendes Drucksignal.

Figo 2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Schwingungserzeugers, bei welchem ein Strömungsriehtungsumschaltventil 21 Anwendung findet. Dieses Umschaltventil wird mittels zweier Magnetventile 26, 26' betätigt, welche die Umschaltventilsspindel derart hin- bzw . herverschieben, daß sie entweder die Hochdruckspeiseleitung 22 mit der Leitung 25 und die Niederdruekleitung 23 mit der Leitung oder die Hochdruckspeiseleitung 22 mit der Leitung 24 und die Niederdruckleitung 23 mit der Leitung 25 verbindet. Die

130018/0774

Leitung 24 führt in die von der Kolbenstange 4 abgewandte, von der größeien Kolbenstirnfläche begrenzte Zylinderkammer 9, und die Leitung 25 führt in die kolbenstangenseitige, von der kleineren Kolbenstirnfläche begrenzte andere Zylinderkammer. In Abhängigkeit von binären Steuersignalen 27» die von einer in Fig. 2 nicht dargestellten Mikroprozessorschaltung übermittelt werden, werden also die beiden Kolbenstirnseiten über das Strömungsrichtungsumschaltventil abwechselnd mit Hochdruck bzw«, Niederdruck beaufschlagt.

Gemäß Fig. J>k weisen die einzelnen Positionsfühler jeweils eine Leuchtdiode und einen zugeordneten Fototransistor auf. Die Leuchtdiode 31 wirft einen Lichtstrahl auf die Oberfläche der Kolbenstange 4. Wo die Kolbenstange hochglanzpoliert ist, wird das Licht von der Kolbenstange 4 zu dem entsprechend angeordneten zugehörigen Fototransistor 32 reflektiert, wo jedoch die Kolbenstange eine im wesentlichen nicht reflektierende Oberfläche hat, empfängt der zugehörige Fototransistor praktisch kein Licht. Durch abwechselndes Anordnen von reflektierenden und nichtreflektierenden Oberflächenbereichen entlang der Kolbenstange läßt sich die Kolbenstangenverschiebung durch die Bewegung der Grenze zwischen reflektierenden und nichtreflektierenden Oberflächenbereichen beobachten, die ein

130018/0774 _0RIG1NAL inspected

aufeinanderfolgendes Ansprechen der in Reihe angeordneten Positionsfühler bewirkt.

Die jeweils eine Leuchtdiode 31 und einen Fototransistor 32 aufweisenden Positionsfühler sind mittels jeweils einer Klemmvorrichtung 34 an einer gemeinsamen Tragschiene 33 montiert. Auf diese Weise können die Positionsfühler einzeln durch Lösen ihrer Klemmung an jede gewünschte Stelle der Tragschiene gebracht werden, so daß ihre Anordnung je nach Bedarf verändert werden kann.

Bei der alternativen Fühleranordnung nach Fig. 3B sind die Positionsfühler jeweils als Näherungsschalter 35 ausgebildet, die mit der Oberfläche der Kolbenstange 4' zusammenwirken, die bei 36 jeweils abgestuft ist₃ so daß die Abstufung der Kolbenstangenoberfläche bei sich bewegender Kolbenstange jeweils die Umschaltung der Positionsfühler zwischen ihren beiden Binärzuständen bewirkt, die jeweils anzeigen, ob die Abstufung eines bestimmten Positionsfühler bereits passiert hat oder nicht. Ebenso wie die jeweils aus einer Leuchtdiode und einem Fototransistor bestehenden Positionsfühler nach Fig. 3A sind auch die als Näherungsschalter ausgebildeten Positionsfühler zweckmäßigerweise auf einer Tragschiene 37 montiert, die parallel zur Bewegungsrichtung der Kolbenstange 4¹ verläuft. Falls

130018/0774

die einzelnen Positionsfühler der Fühlerreihe nicht eng genug nebeneinander angeordnet werden können, kann es erforderlich sein, sie auf zwei oder mehr parallele Tragschienen zu verteilen.

Fig. 4 zeigt eine Reihe von Positionsfühlern in Form von induktiven Wandlern 4l, die wiederum auf einer entlang der Kolbenstangenbewegungsrichtung verlaufenden Tragschiene montiert sind. Induktive Wandler ändern ihr Stromausgangssignal in Abhängigkeit beispielsweise von der Anwesenheit von Metall, und zwar insbesondere, aber nicht notwendigerweise Eisenmetall. Wenn also ein an der Kolbenstange angebrachtes vorstehendes Metallteil einem bestimmten Wandler gegenüberliegt, ist sein Stromausgangssignal anders als wenn das Metallteil diesem Wandler nicht gegenüberliegt. Das Stromausgangssignal jedes Wandlers wird von einem Strompegeldetektor 42 abgetastet, der in Abhängigkeit davon zwischen zwei Zuständen umschaltbar ist, nämlich zwischen einem Hoehpegelzustand und einem Niederpegelzustand entsprechend dem Ansprechen bzwü Nichtansprechen des betreffenden Wandlers auf Metall. Die Pegeldetektoren 42 erzeugen also jeweils ein binäres Ausgangssignal, das über einen Mehrfachkoppler 43 und dessen Ausgangsleitung 46 einem nicht dargestellten Mikroprozessor zugeführt wird. Der Mehr-

130018/0774

fachkoppler wird seinerseits über eine Steuerleitung 47 vom Mikroprozessor gesteuert. Außerdem werden die binären Ausgangssignale der Pegeldetektoren einer Leuchtdioden-Anzeigeanordnung 44 zugeführt, die eine Sichtanzeige der Kolbenbewegung liefern. Schließlich gelangen die Ausgangssignale der Pegeldetektoren-42 an eine Reihe 45 von Feldeffekt-Schalttransistoren mit einer Kette von Spannungsabgreifwiderständen zur Erzeugung eines Analog-Ausgangssignals 48. Zum Abblocken von Rückwärtsspannungen und zur Erzielung einer höheren Ausgangsspannung sind den Widerständen Dioden zugeordnet.

Bei einer Ausführungsform des Schwingungserzeugers sind entlang des Bewegungsweges der Kolbenstange 32 Wandler angeordnet und der Mehrfachkoppler ist eine Einheit mit 32 Eingängen und 16 Ausgängen, die unter der Steuerung des Mikroprozessors abwechselnd die ersten 16 Bits und die zweiten 16 Bits der Wandlerausgangssignale mit dem Mikroprozessor verbindet. Falls die Kolbenstangenoberfläche einen einwärts abgestuften, d.h. zurückgesetzten Teil, beispielsweise in Form einer Nut oder Ausnehmung aufweist, hat das dem Mikroprozessor zugeführte Eingangssignal beispielsweise die Form 1111100001111111, oder wenn die Kolbenstangeoberfläche nach außen abgestuft ist,

130018/0774

d.h. einen Vorsprung oder einen vorspringenden Metallbund aufweist, kann das Eingangssignal beispielsweise die Form OOOOOOOOOlllOOOO haben. In jedem Fall ist der Mikroprozessor so programmiert, daß er die Richtung einer Zustandsänderung einer Binärstelle, d.h. eine Änderung von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 feststellt, was jeweils davon abhängt, ob die in Bewegungsrichtung vordere oder hintere Kante der Aussparung bzw. des Vorsprungs beobachtet wird.

Alternativ zu dem in der Mikroprozessorschaltung ablaufenden digitalen Auswerteprogramm kann die Auswertung der Positionssignale auch mittels einer geeignten logischen Schaltung erfolgen. Eine typische derartige Schaltung ist in Fig. 5 gezeigt, wobei nur der sechs Positionsfühlern zugeordnete Schaltungsteil mit Eingängen A bis F dargestellt ist. Jedes Eingangssignal wird jeweils zwei von sechs NAND-Gliedern 51 bis 56 zugeführt, und zwar dem jeweils einen Glied direkt und dem jeweils anderen Glied nach Inversion durch einen der Inverter 57 bis 6l. Jedes NAND-Glied empfängt Eingangssignale von zwei benachbarten Pegeldetektoren, wovon jeweils eines invertiert wird, mit Ausnahme des ersten Gliedes 51 der Reihe, dessen einem Eingang ständig ein Logisch-1-Signal zugeführt wird

130018/0774

und an dessen anderen Eingang das Ausgangssignal des Pegeldetektors A direkt angeschlossen ist.

Die NAND-Glieder können bei einer ähnlichen anderen Schaltungsanordnung durch NOR-Glieder ersetzt werden, wobei dann an den freien Eingang des ersten Gliedes der Reihe ein ständiges Logisch-O-Signal angelegt ist. Im Fall einer Reihe von NAND-Gliedern gemäß Fig. 5 hat in dem, dem Mikroprozessor zugeführten Signal das der Zustandsänderung entsprechende signifikante Bit den Wert "1", d.h. das Signal hat beispielsweise die Form 0000000001000000, während bei Verwendung von NOR-Gliedern das signifikante, der Position der Zustandsänderung entsprechende Bit den Wert "0" hat, so daß dort das Signal also beispielsweise die Form 1111101111111111 hat. Mittels einer geeigneten weiteren Schaltung kann das Signal in eine Digitalzahl umkodiert werden, welche die Stelle der Zustandsänderung angibt, so daß die Notwendigkeit eines Mehrfachkopplers entfällt und die verfügbare Auflösung der Positionsangabe gesteigert wird.

130018/0774

Leerseite

Claims (14)

1. Patentansprüche

   .( lj Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger mit einem Druckzylinder und einem darin verschiebbaren Kolben_s der den Zylinderinnenraum in zwei Kammern unterteilt und dessen Kolbenstange sich durch eine dieser beiden Kammern hindurcherstreckt, und mit einer Ventileinrichtung zur Steuerung der Druckmittelzu- und -abströmung zu bzw. aus mindestens einer der beiden Kammern, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Peststellung der jeweiligen Kolbenposition, die eine Anzahl von einzelnen Positionsfühlern (14), die entlang der Kolbenbewegungsrichtung in Reihe angeordnet sind und jeweils Meßdaten in Form eines elektrischen Digitalsignals erzeugen, und eine elektronische Verarbeitungsschaltung (15) aufweist, welche die Meßdaten der Positionsfühler analysiert und in Abhängigkeit davon die Ventileinrichtung (11, 21) mittels elektrischer Steuersignale steuert.
2. 2. Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler (14) am Druckzylinder (2) gehaltert sind und daß die Kolbenstange (4) ein die Positionsfühler beeinflussendes Gegenelement trägt.
3. 3. Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler an keiner Stelle des Verschiebeweges der Kolbenstange (4) mit dieser Berührung haben.
4. 4. Druckmittelbetrxebener Schwingungserzeuger nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler (14) jeweils eine Leuchtdiode (3D und einen Fototransistor (32) aufweisen und daß das an der Kolbenstange (4) angeordnete Gegenelement einen gut reflektierenden Bereich und in Kolbenbewegungsrichtung beiderseits desselben schlechter reflektierende Bereiche aufweist.
5. 5. Druckmittelbetätigter Schwingungserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler (14) als Näherungsschalter (35) ausgebildet sind.
6. 6. Druckmittelbetrxebener Schwingungserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler (14) mit der Kolbenstange (4) in Berührung stehen.
7. 7. Druckmxttelbetriebener Schwingungserzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler (14) als Mikroschalter ausgebildet sind, die von

   130013/0774

   dem an der Kolbenstange angeordneten Gegenelement
   mechanisch betätigt werden.
8. 8. Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach
   einem der Ansprüche 1 bis T₃ dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsfühler (14) längs der Verschiebungsrichtung der Kolbenstange (4) verschiebbar sind.
9. 9. Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach
   einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten der Positionsfühler (14) elektrische Binärsignale sind.
10. 10. Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) mittels eines konstanten Druckmitteldruckes, der die von der Kolbenstange durchzogene Zylinderkammer (8) bzw. die der Kolbenstange zugewandte Kolbenstirnfläche
    beaufschlagt, in Richtung zum einen Zylinderende hin vorgespannt ist.
11. 11. Druckmittelbetätigter Schwingungserzeuger nach
    einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung als Auf-Zu-Ventil (11) ausgebildet ist.

    138013/0774
12. 12. Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (11) durch ein Druckmittelsignal betätigbar ist, das seinerseits aufgrund des elektrischen Steuersignals der Verarbeitungsschaltung (15) über ein Miniatur-Magnetventil (l6) bereitgestellt wird.
13. 13* Druckmittelbetriebener Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung als die Druekmittelströmungsrichtung steuerndes Ventil (21) ausgebildet ist.
14. 14. Druckmittelbetriebener Hammer, gekennzeichnet durch einen druckmittelbetätigten Schwingungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

    3 0 0 1 a / Ö t f 4