DE3603992A1

DE3603992A1 - Arbeitszylinder mit einem elektrischen kolbenendstellungsgeber

Info

Publication number: DE3603992A1
Application number: DE19863603992
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Brueggen; Manfred Gaugler; Dieter Dipl Phys Karr; Josef Winkler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-02-08
Filing date: 1986-02-08
Publication date: 1987-08-20
Also published as: WO1987004763A1; US4843951A; EP0258279B1; DE3760634D1; EP0258279A1; JPS63502296A; JPH0776563B2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Arbeitszylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Anordnungen dieser Art sind bereits bekannt. Sie sind als einfach- oder doppeltwirken de Zylinder ausgebildet, deren Kolben mit Flüssigkeiten oder Gasen, insbesondere Druckluft, beaufschlagbar sind. Der Einlaß und der Auslaß des Druckmediums wird hierbei so gesteuert, daß bei Erreichen der Hubendlage des Kolbens das Schließen des bisherigen Einlasses und Öffnen des Aus lasses erfolgt. Es sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, die Stellung des Kolbens eines Arbeitszylinders, insbeson dere das Erreichen der Kolbenendstellung, zu messen und festzustellen. Alle diese bekannten Anordnungen sind jedoch relativ aufwendig, störanfällig und ungenau. So verwendet beispielsweise ein durch die DE-PS 30 14 331 bekannt gewor dener Arbeitszylinder als Endlagengeber eine mit der Zy linderstirnwand verschweißte Membrane aus Edelstahl, mit welcher ein vom Kolben getragener Betätigungskörper axial fluchtet. Die Verformung der Membran wird über einen außer halb des Zylinderraums angeordneten Fühler in ein Stellungs signal umgewandelt. Die DE-OS 32 21 574 befaßt sich mit ei nem Zylinder mit integriertem elektrischen Signalgeber, wel cher in einer Ausführungsform zwei isolierte elektrische Leiter aufweist, die auf unterschiedlichen elektrischen Po tentialen gehalten werden und in der Hubendlage die aus lei tendem Material bestehende Kolbenfläche berühren.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß er bei kompakter Bauweise ohne bewegliche Teile für die Er fassung der Kolbenendlage auskommt. Man erreicht bei dich tem Abschluß des Arbeitsraumes eine Kolbenendstellungsgabe mit genauem Ansprechzeitpunkt, die auch unter rauhen Ein satzbedingungen, bei hohen Drücken und Temperaturen, zu verlässig funktioniert und praktisch verschleißfrei ist. Außerdem wird eine Fremdspannungsquelle zur Anzeige der Kol benendstellung entbehrlich. Der angegebene Arbeitszylinder läßt sich ferner als piezohydraulischer oder piezopneuma tisches Stellelement weiterbilden, das sich durch große Stellwege, kurze Stellzeiten und große Kraftübertragung aus zeichnet. Hierzu ist vorgesehen, daß in die Zylinderstirn wand die Zuleitung für ein den Kolben beaufschlagendes Druck medium mündet, welche in der Hubendlage durch einen Teil der Stirnfläche des Kolbens verschlossen ist, daß der Kolben durch eine Kraft in seiner Hubendlage gehalten wird, die größer ist als die auf die Teilfläche des Kolbens einwirkende Kraft des Druckmediums, und daß in der Zylinderstirnwand ein mit einer Spannungsquelle verbindbarer piezoelektrischer Wandler ange ordnet ist, welcher sich nach Anlegen der Spannung in Ver schieberichtung des Kolbens ausdehnt und dessen Stirnfläche von der Zylinderstirnwand abhebt. Zum Erfassen der Kolben endstellung und zum Abheben des Kolbens von der Zylinder stirnwand ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ein gemeinsamer piezoelektrischer Wandler vorge sehen. Dieser Wandler ist zweckmäßig als zylindrischer Kör per ausgebildet, welcher in eine in Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Bohrung der Zylinderstirnwand eingesetzt ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter An gabe weiterer Vorteile näher erläutert. Die Figur zeigt ei nen schematisch dargestellten Arbeitszylinder mit den zuge hörigen Steuereinrichtungen in einem Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Zeichnung zeigt einen Arbeitszylinder 1 mit einem doppel seitig beaufschlagten, über eine geradlinige Hubstrecke hin- und herbewegbaren Kolben 2, der jeweils nach Erreichen sei ner Endstellungen umgesteuert werden kann. Der Zylinder 1 ist beidseitig durch je einen Zylinderdeckel 3 bzw. 4 druck dicht verschlossen. Die Zylinderdeckel sind der Übersicht lichkeit wegen einstückig mit dem Arbeitszylinder 1 darge stellt. Der Kolben 2 hat eine Kolbenstange 5, welche durch eine mit einer Dichtung 6 versehene Bohrung im Deckel 3 nach außen geführt ist.

Das Druckmittel wird dem Zylinderinnenraum über in den Zy linderdeckeln 3, 4 ausgebildete Leitungen 7 bzw. 8 zuge führt. Die Leitungen sind im Bereich der einander zugekehr ten Stirnwände der Zylinderdeckel als Ringräume 9 bzw. 10 ausgebildet, mit denen an den Stirnflächen des Kolbens 2 befindliche Dichtringe 11 bzw. 12 zusammenarbeiten. Zum Abführen des im Zylinder befindlichen Druckmediums sind Rücklaufleitungen 13 und 14 vorgesehen, die nahe der Stirnwände der Zylinderdeckel 3 bzw. 4 in den Zylinder raum münden. Die Leitungen enthalten einen durch einen Elektromagneten 15 betätigbaren Steuerschieber 16. Je nach Stellung dieses Schiebers werden entweder die Zu leitung 8 und die Abflußleitung 14 oder die Zuleitung 7 und die Abflußleitung 13 freigegeben.

Das Signal für das Umschalten des Steuerschiebers 16 wird durch Kolbenendstellungsgeber erzeugt, welche in bzw. an den Zylinderdeckeln 3, 4 angeordnet sind und in den Hub endlagen durch den Kolben 2 betätigt werden. Als solche Endstellungsgeber dienen piezoelektrische Wandler 17 und 18. Diese sind im Ausführungsbeispiel als zylindrische Hohlkörper ausgebildet, welche in je eine zentrisch an geordnete und in Bewegungsrichtung des Kolbens verlaufende Bohrung 19 bzw. 20 des Deckels 3 bzw. 4 eingesetzt sind. Die Hohlkörper stehen im unbelasteten Zustand um einige Mikrometer über die Stirnwand der Deckel vor. Der Hohl körper 17 wird von der Kolbenstange 5 durchgriffen. Je der Wandler besteht aus mehreren, aufeinandergeschichte ten piezoelektrischen Lochscheiben, die in einem Isolier stoffgehäuse angeordnet sind. Die Scheiben sind elektrisch parallel geschaltet. Jeder Wandler ist über eine nach aus sen geführte Leitung 21 bzw. 22 mit dem Elektromagneten 15 verbunden.

Der Kolben 2 wird durch eine Kraft in seiner jeweiligen End hublage gehalten, die größer ist als die auf die Fläche der den Ringraum 9 bzw. 10 der Zuleitungen 7 bzw. 8 verschlie ßenden Dichtringe 11 bzw. 12 einwirkende Kraft des Druck mediums. Diese Kraft wird im Ausführungsbeispiel durch Permanentmagnetringe 23, 24 aufgebracht, die in je einer Ausdrehung 25, 26 der Zylinderdeckel 3 bzw. 4 befestigt sind. Die Stirnflächen der Magnetringe schließen mit der Stirnwand der Zylinderdeckel bündig ab. Den Magnetringen 23, 24 steht je ein Weicheisenring 27 bzw. 28 gegenüber, welcher im Kolben 2 verankert ist. Über die Leitungen 21, 22 können die Wandler 17, 18 wechselweise an Spannung ge legt werden. Dabei dehnen sich die piezoelektrischen Schei ben unter dem Einfluß des angelegten elektrischen Feldes bei gleichzeitiger Kontraktion ihrer Durchmesser in Rich tung der Zylinder-Längsachse aus, so daß der Kolben 2 von der Stirnwand des Zylinderdeckels abgehoben wird. Um die Masse des Kolbens 2 möglichst klein zu halten ist es vor teilhaft, den Kolben aus einem Kunststoff anzufertigen, in den die beiden Weicheisenringe 27, 28 eingebettet sind. Möglich ist auch eine Ausführung, bei welcher die Dauerma gnete im Kolben 2 fixiert sind und die Zylinderdeckel aus Weicheisen bestehen.

Die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Zylinderanord nung ist wie folgt:

In der Zeichnung befindet sich der Kolben 2 in seiner linken Hubendlage. Er wird durch das Magnetfeld des Ringmagneten 24 an der Stirnwand des Zylinderdeckels 4 festgehalten. Die Druckleitung 8 ist geöffnet, so daß die Kraft des Druckme diums am Dichtring 12 des Kolbens 2 anliegt. Diese Kraft ist kleiner als die magnetische Haltekraft. Erhält nun der piezo elektrische Wandler 18 über die Leitung 22 einen elektri schen Spannungsimpuls, so dehnt er sich aus und hebt den Kolben 2 unter gleichzeitigem Öffnen des Abdichtsitzes 10, 12 etwas von der Stirnwand des Zylinderdeckels 4 ab. Der Druck des durch die Leitung 8 zugeführten Druckmediums wirkt nun auf die gesamte Kolbenfläche, d.h. der Hydraulik- bzw. Pneumatikdruck wird größer als die magnetische Halte kraft. Der Kolben bewegt sich demzufolge in die rechte Hub endlage, wobei das Druckmedium auf der rechten Kolbenseite über die Rücklaufleitung 13 ausgepreßt wird. Kurz vor Er reichen der rechten Endlage wird die Rücklaufleitung durch den Kolben geschlossen und die Kolbengeschwindigkeit etwas abgebremst. Beim Auftreffen des Kolbens auf die Stirnwand des Zylinderdeckels 3 erfährt der piezoelektrische Wandler 17 eine Deformation. Das dadurch erzeugte elektrische Si gnal wird über die Leitung 21 und einen zwischengeschalte ten Verstärker auf den Elektromagneten 15 gegeben. Dieser überführt den Steuerschieber 16 in seine andere Endlage, in welcher die Rücklaufleitung 14 und die Druckleitung 7 geöffnet, die Leitungen 8 und 13 hingegen geschlossen sind. Danach kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Wandler 17 der Auslöseimpuls für die Bewegung des Kol bens 2 in umgekehrter Richtung eingegeben werden.

Der Einfluß temperaturbedingter Größenänderungen der piezo elektrischen Wandler läßt sich durch Anlegen einer Gleich spannung an die Piezokeramik kompensieren. Als Stellgröße für den Elektromagneten 15 wird das überlagerte Wechsel spannungssignal verwertet, das durch die Kompression des Wandlers beim Auftreffen des Kolbens auf die Stirnwand eines der Zylinderdeckel 3, 4 erzeugt wird.

Claims

1. Arbeitszylinder mit einem elektrischen Endstellungsgeber, der am Zylinderdeckel angebracht ist und in der Hubendlage durch den Kolben betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kolbenendstellungsgeber ein piezoelektrischer Wandler (17 bzw. 18) dient.

2. Arbeitszylinder, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß in die Zylinderstirnwand die Zuleitung (7 bzw. 8) für ein den Kolben (2) beaufschlagendes Druckmedium mündet, welche in der Hubendlage durch einen Teil (11 bzw. 12) der Stirnfläche des Kolbens verschlossen ist, daß der Kolben durch eine Kraft in seiner Hubendlage gehalten wird, die größer ist als die auf die Teilfläche des Kolbens ein wirkende Kraft des Druckmediums, und daß in der Zylinder stirnwand ein mit einer Spannungsquelle verbindbarer piezo elektrischer Wandler (17 bzw. 18) angeordnet ist, welcher sich nach Anlegen der Spannung in Verschieberichtung des Kolbens ausdehnt und dessen Stirnfläche von der Zylinder stirnwand abhebt.

3. Arbeitszylinder nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zum Erfassen der Kolbenendstellung und zum Abheben des Kolbens (2) von der Zylinderstirnwand ein ge meinsamer piezoelektrischer Wandler (17 bzw. 18) vorge sehen ist.

4. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (17 bzw. 18) als zylindrischer Körper ausgebildet ist, welcher in eine in Bewegungsrichtung des Kolbens ver laufende Bohrung der Zylinderstirnwand eingesetzt ist.

5. Arbeitszylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler (17) als zentrisch ange ordneter Hohlzylinder ausgebildet ist, der von einer Kol benstange (5) durchgriffen wird.

6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die den Kolben (2) in seiner Hubendlage haltende Kraft durch einen Permanentmagneten (23 bzw. 24) aufgebracht wird.

7. Arbeitszylinder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Permanentmagnet (23 bzw. 24) im Zylinder (1) befestigt ist und einen Teil der Zylinderstirnwand bil det.

8. Arbeitszylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß der Kolben (2) aus einem Kunststoffkörper mit Weicheiseneinlagen (27, 28) besteht.