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Einrichtung zun Feststellen einer relativen Verschiebelage
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Feststellen der relativen
Verschiebelage von zwei geradlinig relativ zueinander verschiebbaren Körpern, insbesondere
der beiden relativ zueinander verschiebbaren Teile eines hydraulischen Linearantriebes,
wobei durch die Einrichtung ermöglicht sein soll, jede beliebige mögliche Relativlage
digital zu erfassen. Die Aufgabe,Aussagen Uber die jeweils erreichte Relativverschiebungslage
zweier Bauteile gegeneinander machen zu können, besteht im vielfachen Zusammenhang,
beispielsweise bei gegeneinander verschiebbaren Teilen von Werkzeugmaschinen, insbesondere
aber auch bei Kolben-Zylinder-Aggregaten, bei denen es darauf ankommt, die Ausfahrlage
der Kolbenstange gegenüber dem Zylinder konkret angeben zu können, beispielsweise
die Ausfahrlage einer Hubpresse am Hubgerüst eines Gabelstaplers oder die Ausfahrlage
einer Kolbenstange am Ausleger eines Baggers. Zur Lösung der letztgenannten Aufgabe
ist es beispielsweise bekannt, zwischen den relativ zueinander verschwenkbaren Hebeln
eines Baggers einen Winkelsignalgeber anzuordnen, der ein analoges Signal gibt (DE-OS
18 07 174). Derartige Winkellage-Signalgeber sind sehr störempfindlich,cdie Ver-
arbeltung
von Analogsignalen führt zu weniger genauen Er gebnissen als die Verarbeitung von
Digitalsignalen. Zur Bestimmung der Lage eines Kolbens In einem Zylinder Ist weiterhin
bekannt, im Enddeckel des Zylinders magnetisch induktive, mit Wechselstrom gespeiste
FUhler anzuordnenO deren magnetisches Feld in das Zylinderinnere hinein gerichtet
ist, wobei der Kolben aus elektrisch leitendem Material besteht. Wenn der Kolben
sich dem einen oder dem anderen Ende des Zylinders nähert, entstehen wegen des in
das Zylinderinnere hinein gerichteten Feldes im Kolben Wirbelströme, die den Im
Fühler verlaufenden Strom beeinflussen. Dadurch kann der Fühler an einen mit diesem
verbundenen Indikator ein Signal geben (DE-OS 20 59 592).
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Die Versorgung derartiger Fühler mit Wechselspannung ist aufwendig.
Auch hier ist die erzielbare Genauigkeit der Lagebestimmung beschränkt. Bei einer
anderen bekannten Einrichtung ist parallel zur Kolbenstange ein Potentiometer angeordnet,
an dessen Abgriff Uber einen Verstärker ein Signal gegeben wird (Deutsche Hebe-
und Fördertechnlk dhf, 1/71, Seite 57). Derartige Potentiometer sind in einem derartigen
Einsatz sehr störanfällig.
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Weiterhin bekannt ist eine berührungslose Endlageabtastung zum Feststellen
des Erreichens der Endlagen eines Kolbens in einem Zylinder, wobei in den Kolben
ein Permanentringmagnet eingebaut ist, dessen Feld auf im Bereich der Endlagen außen
am Zylinderrohr angeordnete Magnetschalter einwirkt (Ölhydraulik und Pneumatik o+p
- Report 74, Kennziffer 221). Die Anordnung derartiger Magnetschalter Ist nur zur
Feststellung bestimmter Lagen, nämlich der Endlagen, möglich. Das Zylinderrohr aus
Stahl beeinflußt das Magnetfeld des Ringmagneten und die außen angeordneten Magnetschalter
können auch von außerhalb wirkenden Magnetfeldern beeInflußt werden. Bei Hubladern
(Gabelstaplern), bei denen die Hubhöhe wfllkürlich angewählt werden soll, wird die
Linearbewegung
des Hubes über ein zusätzliches Zugorgan (Kette oder Drahtseil) in eine Drehbewegung
umgeformt, die Uber binäre Geber abgefragt wird (DE-OS 21 32 018).
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Der Nachteil dieser Anordnung besteht in der Anfälligkeit des technischen
Aufbaues und der Vielzahl der benötigen Bauteile.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst wenig störanfällige
Einrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, die relative Verschiebungslage zweier
Bauteile, insbesondere von Kolbenstange und Zylinder,gegeneinander in jeder möglichen
Verschiebelage mit hoher Genauigkeit festzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung einer der Körper,
beispielsweise bei einem Zylinder-Kolben-Aggregat die Kolbenstange, über seine Erstreckung,
längs der der andere Körper, beispielsweise der Zylinderdeckel, verschiebbar ist,
mit in Verschieberichtung hintereinander angeordneten magnetischen Markierungen
versehen und ist der andere Körper mit mindestens einem auf diese Markierungen ansprechenden
Sensor versehen, der mit einer die von diesem Sensor ausgehenden Signale digital
auswertenden Auswerteinrichtung verbunden ist.
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Zweckriä.ßigerweise sind die magnetischen Markierungen mit abwechselnder
Polarität in der Reihenfolge hintereinander angeordnet.
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Eine besonders zweckmäßige Anordnung ergibt sich, wenn an dem gegenüber
dem mit den magnetischen Markierungen versehenen Körper verschiebbaren anderen Körper
zwei Sensoren in Verschieberichtung versetzt, beispielsweise hintereinander oder
nebeneinander versetzt angeordnet sind, wobei das Maß der Versetzung der beiden
Sensoren
gegeneinander ein Viertel der Länge von zwei magnetischen
Markierungen unterschiedlicher Polarität entspricht, das heißt, die beiden Sensoren
magnetisch um 900 gegeneinander versetzt sind,und ist weiterhin die Auswerteinrichtung
zum Zählen der am Sensor vorbeigegangenen Markierungen und darüberhinaus zum Feststellen
der relativen Bewegungsrichtung geeignet, wobei in dieser Auswerteinrichtung aus
der relativen Verschiebebewegungsrichtung das VorzeSeheru für den Zählvorgang abgeleitet
wird. Bei Vorbeigang jeweils einer Markierung an dem Sensor wird ein Zählvorgang
ausgelöst, so daß die Gesamtzahl der ausgelösten Zählvorgänge eine Aussage für die
erreichte Verschiebelage ergibt.
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Dabei kann es zweckmäßig sein, an einer oder beiden mUglichen Endlagen
oder in einer konkret definierten mittleren Position einen Anschlag oder eine gleichwertige
Vorrichtung vorzusehen und derart auszugestalten, daß bei Erreichen dieser Position
das Zählwerk auf Null bzw. auf einen entsprechenden, bestimmten vorgegebenen Wert
geschaltet wird, so daß jedes mal, wenn diese vorbestimmte Position erreicht wird,
alle möglicherweise bis dahin entstandenen Zählfehler ellminiert werden und wieder
konkret ausgehend von der richtigen Zahl neu gezählt wird.
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In einer anderen Ausgestaltungsform Ist vorgesehen, daß an dem mit
Markierungen versehenen Körper mehrere Streifen mit in Verschieberichtung angeordneten
Markierungen neben einander angeordnet sind, wobei in jedem Streifen Markierungen
abwechselnder Polarität angeordnet sind und die Markierungen eines Streifens so
dlcht,wle für die geforderte Meßgenauigkeit erforderlich, beieinander angeordnet
sind und in einem weiteren Streifen jede Markierung zweimal so lang ist und in einem
noch weiteren Streifen wiederum dede Markierung zwelmal so lang ist, wle in dem
vorgenannten Streifen und derartig viele Streifen angeordnet
sind,
daß bei dem Streifen mit der geringsten Teilung die gesamte Verschiebelänge, die
definiert werden soll, auf zwei gleichgroße Pole aufgeteilt ist, wobei bei dieser
Einrichtung jedem Streifen ein die Polarität der Markierung feststellender Sensor
zugeordnet ist und die Auswerteinrichtung zum Auswerten binärer Zahlensignale vorgesehen
ist. Bei einer einfachen Ausgestaltungsform liegen alle Sensoren in einer Ebene
senkrecht zur relativen Verschiebungsrichtung und beginnen alle Markierungsstreifen
an der selben Stelle. Bei jeder beliebigen Verschiebungslage ergibt sich an jedem
Sensor ein entweder positives oder negatives Signal und damit an der Gesamtheit
der Sensoren ein binärer Zahlencode, der eine konkrete Aussage Uber die jeweilige
Verschiebelage macht.
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Bei einem Kolben-Zylinder-Aggregat ergibt sich eine zweckmäßlge Form
für die Anordnung der magnetischen Markierungen, wenn die Kolbenstange eine Kernstange
aufweist, in deren Längserstreckung eine Nut angeordnet ist, wobei in dieser Nut
Magnete mit wechselnder Polarität angeordnet sind, wobei die Kernstange von einem
Mantelrohr aus nichtmagnetischem Material, beispielsweise aus Bronze oder aus nichtmagnetischem
hochlegiertem Stahl, umgeben ist, wobei die Oberfläche dieses Mantelrohres die Fläche
bildet, auf der die Dlchtung des Zylinderdeckels dichtend gleitet.
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Die Magnete sollen möglichst hochkoerzitive Magnete sein.
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Derartige Dauermagnetwerkstoffe können aus Kobalt und seltenen Erden,
insbesondere Kobalt-Samarium,bestehen wie solche beispielsweise unter dem Warenzeichen
"Vacomax" bekannt sind. Diese Einzelmagnete können in der Nut mit Im Maschinenbau
üblichen Mitteln festgelegt werden, beispielsweise mittels Kunststoffkleber festgeklegt
oder in Kunststoff eingegossen werden. Anstelle einer solchen Kette von Einzelmagneten
kann aber auch ein Stab aus geeignetem Material, beispielsweise einer Dauermagnetlegierung
auf
der Basis von Chrom, Kobalt und Eisen, wie solche unter dem
Warenzeichen "Crovac" bekannt sind, verwendet werden, wobei dieser Stab punktweise
mit alternierender Polung magnetisiert ist und in der Nut festgelegt ist. Ist es
mit RUcksicht auf die mechanische Festigkeit und auf die Herstellkosten möglich,
kann auch die ganze Kolbenstange aus einem Material bestehen, das punktweise mit
hinreichender Magnetstärke magnetisiert werden kann und das punktweise mit den magnetischen
Markierungen versehen ist.
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FUr derartige magnetische Markierungen genUgen Dauermagnete, wie sie
heute serienmäßig beispielsweise mit den Abmessungen 4 x 4 x 3 mm angeboten werden.
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Zweckmäßigerweise sind die Sensoren derart gestaltet, daß sle dle'Polarität
der Magnetisierung der Markierungen erkennen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbelsplele dargestellt und anhand
derselben die Erfindung erläutert.
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Figur 1 zeigt einen Schnitt durch das kolbenstangenseitige Ende eines
Zylinders und die zugehörige Kolbenstange.
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Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung der Sensoren.
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Figur 3 zeigt den Verlauf der Signale der beiden Sensoren bei Verschiebung
der Kolbenstange.
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Figur 4 zeigt ein Schaltschema zu der Auswerteeinrichtung, Figur 5
zeigt einen Schnitt in Achsrlchtung durch eine Kolbenstange mit magnetischer Markierung.
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Figur 6 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse durch die Kolbenstange
gemäß Figur 5.
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Figur 7 zeigt eine Anordnung der magnetischen Markierungen.
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Der Zylinder 1 ist durch in der Zeichnung nicht mehr dargestellte
Verbindungsmittel mit einem Zylinderkopf 2 verbunden, an dem der Zylinderdeckel
3 befestigt ist. In dem Zylinderkopf 2 ist eine Druckmittelzuführung 4 vorgesehen.
Der Zylinderdeckel 3 ist durch in der Zeichnung nicht mehr dargestellte Verbindungsmittel
mit dem Zylinderkopf 2 fest verbunden und durch eine Dichtung 5 gegenüber diesem
abgedichtet.
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Die Kolbenstange besteht aus einer Kernstange 6, die mit einem Mantelrohr
7 verbunden ist. Die Kernstange 6 ist mit einem Befestigungselement 8 verbunden
und durch in der Zeichnung nicht mehr dargestellte Mittel gegen Verdrehen gesichert.
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Im Zylinderdeckel 3 ist eine Dichtung 9 angeordnet, die den Innenraum
des Zylinders 1 abdichtet. Weiterhin ist am Zylinderdeckel 3 ein Abstreifer 10 angeordnet,
der verhindert, daß auf die Oberfläche des Mantelrohres 7 gefallene Verunreinigungen
mit in den Zylinderdeckel 3 und insbesondere zu der Dichtung 9 hingezogen werden.
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Die Dichtung 9 dichtet in Verbindung mit dem Zylinderdeckel 3 den
Innenraum des Zylinders 1 ab.
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In der Kernstange 6 ist eine Nut 11 angeordnet, in der nebeneinander
Einzelmagnete 12 angeordnet sind, wobei jeder Magnet derart angeordnet ist, daß
die Polarisierung In diesem Magnet andersherum angeordnet ist, wie In den beiden
benachbarten Magneten.
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In einer Ausnehmung des Zylinderdeckels 3 sind zwei Sensoren 13 und
14 angeordnet, die relativ zueinander um 1/4 des Abstandes versetzt sind, den zwei
gleichgerichtete Kanten des einen Magneten 12 vom Ubernächsten Magneten 12 aufwefst.
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Verschiebt sich die Kolbenstange 6, 7 aus dem Zylinder 1 heraus,
so ergeben sich an dem Sensor 14 in zeitlicher Reihenfolge die Signale, die In Figur
3 in der oberen Zeile dargestellt sind und die durch die Leitung 15 der Auswertelogik
zugeführt werden. Zeitlich versetzt ergeben sich am Sensor 13 die Signale die in
Figur 3 in der unteren Zeile dargestellt sind. Aus Figur 3 ist also zu erkennen,
daß bei der Verschiebung der Kolbenstange sich immer eine Phase ergibt, in der beide
Signale gleichzeitig wirken, dann eine Phase, in der nur ein Signal wirkt, dann
eine Phase, in der kein Signal wirkt, dann eine Phase, in der das andere Signal
wirkt und dann wieder eine Phase, in der belde Signale wirken. Die Signale der beiden
Sensoren 13 und 14 werden Uber die Leitungen 15 und 16 der in Figur 4 dargestellten
Auswertelogik zugeführt, in der Uber eine Leitung 17 die Signale zu einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler
18 geführt werden. Über der Leitung 17 sind die Signal spitzen ("Peaks") aufgetragen,
die sich aus dem Zusammenwirken beider Signale oder dem Wirken nur eines oder kelnes
Signales ergeben. An die Leitungen 16 und 16 ist weiterhin eine Richtungsauswahllogik
19 angeschlossen, die aus der zeitlichen Reihenfolge der von den Sensoren 13 und
14 ausgehenden Signale entsprechend der in Figur 4 unten dargestellten Matrix die
Bewegungsrichtung feststellt und abhängig von dieser durch die Leitung 20 dem Vorwärts-RUckwärts-Zähler
18 ein Signal zuführt, welches die Folge hat, daß entweder die in der Leitung 17
zugefUhrten Signale zueinander addiert werden oder jedes in der Leitung 17 zugeführte
Signal von dem bisher erreichten Summenstand abgezogen wird. Der Ausgang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers
18 ist durch die Leitung 20 einem Anzeige- oder Auswerte- oder Regelgerät, das In
der Zeichnung nicht mehr dargestellt ist, zugeführt.
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In den Figuren 5, 6 und 7 ist eine andere Ausgestaltungsform dargestellt.
Auch bei dieser besteht die Kolbenstange aus einer Kernstange 6a, die von einem
Mantelrohr 7 umgeben ist. In der Kernstange. 6sind am Umfang verteilt jedoch sechs
Nuten angeordnet, wobei in jeder Nut Magnete in einer Reihe angeordnet sind, wobei
in der einen Nut eine Reihe von Magneten 12, in der nächsten Nut eine Reihe von
Magneten 21, in der nächsten Nut eine Reihe von Magneten 22, in der nächste Nut
eine Reihe von Magneten 23, in der darauffolgenden Nut eine Reihe von Magneten 24
und in der darauffolgenden Nut eine Reihe von Magneten 25 angeordnet sind. Die Figur
7 zeigt die Anordnung der Magnete in den einzelnen Nuten in einer Abwicklung des
Umfanges der Kolbenstange. Die Länge jedes Magneten 21 in Verschieberichtung der
Kolbenstange ist doppelt so groß wie die Länge jedes Magneten 12 und entsprechend
sind auch die Abstände gleichgerichteter Kanten der Magnete doppelt so groß, wobei
die Leerspalte zwischen zwei Magneten in beiden Zeilen so klein wie möglich sind.
Entsprechend Ist die Erstreckung in axialer Richtung der Kolbenstange jedes Magneten
22 doppelt so groß wie die Erstreckung jedes Magneten 21 und die Erstreckung jedes
Magneten 23 doppelt so groß wie die jedes Magneten 22.
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Entsprechend ist die Erstreckung jedes Magneten 24.doppelt so groß
wie die Erstreckung jedes Magneten 23 und die Erstreckung jedes Magneten 25 ist
wiederum doppelt so groß wie die Erstreckung jedes Magneten 24. Auch bei die ser
Anordnung sind die Magnete in jeder Zeile mit abwechselnder Polung angeordnet. In
dem Streifen mit den Magneten 25 ist von jeder Polarität nur ein Pol dn der gesamten
Verschiebelänge vorhanden.
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Im Zylinderdeckel 3a ist vor jeder Zeile von Magneten ein Sensor 26
angeordnet, der feststellt, ob die nach außen gewandte Seite des dieser Magnetzeile
zugeordneten Magneten magnetisch positiv oder negativ ist. Sind alle Sensoren 26
in einer senkrecht auf der Achse der Kolbenstange stehenden Ebene angeordnet, so
ergibt sich bei jeder Verschiebelage der Kolbenstange in jedem Sensor ein Positiv-Signal
oder ein Negativ-Signal. Aus der Reihenfolge der Positiv- und Negativ-Signale in
den einzelnen Sensoren läßt sich eindeutig die Lage der Kolbenstange bestimmen,
da jeder Lage nur eine bestimmte Reihenfolge von Positiv-Negativ-Signalen zugeordnet
ist. Werden die einzelnen Signale der einzelnen Sensoren 26 einer entsprechenden
Auswerteeinrichtung zugeführt, so kann durch diese ganz eindeutig die Lage der Kolbenstange
mit einer der Erstreckung jedes Magneten 12 in Achsrichtung entsprechenden Genauigkeit
bestimmt werden.
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