DE4027199A1 - Anordnung zur messung der position eines beweglichen koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung der Position eines beweglichen Körpers, insbesondere der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder, mit digital-absoluter Meßwerterfassung.

Zur Messung der Kolbenposition in Hydraulikzylindern wurden be­ kanntlich versuchsweise verschiedene physikalische Effekte her­ angezogen, beispielsweise eine Laufzeitmessung mit Ultraschall, Kräfte durch mechanische Zugfedern, Widerstandsänderung in Po­ tentiometern durch Umsetzung der Linearbewegung in eine Drehbe­ wegung. Optische Methoden wurden diskutiert, ergaben aber auf­ grund der Lichtabsorption im Medium bisher noch keine Lösungs­ möglichkeiten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Position ei­ nes beweglichen Körpers kontinuierlich zu messen und zu über­ wachen. Speziell für Hydraulikanlagen soll eine Bewegung unmit­ telbar im Hydraulikzylinder ohne den störanfälligen Umweg über die Abtastung der Position des äußeren Endes der Kolbenstange möglich sein. Diese Messung der Kolbenposition soll außer in Hydraulikzylindern die der Bewegung mechanischer Konstruktionen unter starken Kräften dienen, beispielsweise auch für hydrau­ lische Dämpfungsglieder möglich sein.

In einer bekannten Ausführungsform zur Messung der Kolbenposi­ tion ist ein radialmagnetischer Ringmagnet vorgesehen, dessen Magnetfluß sich aufteilt auf einen Hauptmagnetkreis, dessen magnetischer Widerstand mit der Bewegung des Körpers veränder­ bar ist, und einen Referenzmagnetkreis, der einen Magnetfeld­ detektor enthält. Der Kolben, dessen Position gemessen werden soll, befindet sich im Streufeld des Hauptmagnetkreises. Mit der Bewegung des Kolbens ändert sich die Größe eines Luftspalts zwischen dem Kolben und dem Magneten und damit der magnetische Widerstand im Hauptmagnetkreis. Die Änderung der Feldaufteilung kann vom Magnetfelddetektor erfaßt werden und dient als Maß für die Kolbenposition (PCT/WO 87/06 656).

Es sind auch digitale Meßsysteme zur Erfassung der Position ei­ nes beweglichen Körpers bekannt, bei denen die Information über die absolute Position einem Maßstab entnommen wird. Zu diesem Zweck muß die Meßsensoranordnung, beispielsweise ein Glasmaß­ stab, mit einem optischen Abtastsystem Informationen über mehrere digitale Stellen liefern. Dies geschieht beispielsweise über parallel angeordnete Bahnen, die binär unterteilt sind und dadurch die erforderlichen Informationen enthalten. Diese digi­ tal-absolut anzeigenden Positionsmeßsysteme benutzen jedoch außerhalb des Zylinders angebrachte Maßstäbe (Ebertshäuser: "Fluidtechnik von A bis Z", Seite 62, Vereinigte Fachverlage, Krausskopf/Ingenieur-Digest).

Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Damit erhält man eine stör- und alterungsfreie Anordnung zur Messung der Posi­ tion beweglicher Körper. Weitere besonders vorteilhafte Ausge­ staltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Messung der Position eines beweglichen Körpers als Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Anordnung gemäß der Erfindung. In Fig. 3 ist ein Schnitt senkrecht zur Achse der Anordnung gemäß Fig. 2 dargestellt, und die Fig. 4 und 5 zeigen die Abwicklung von jeweils einem Teilbereich am Anfang und am Ende der zylinderförmig angeordneten Maßeintei­ lung, deren Schnitt in Fig. 3 als äußerer Kreisring mit dunk­ len und hellen Sektoren angedeutet ist.

In der Ausführungsform einer Anordnung zur Messung der Position eines beweglichen Körpers nach Fig. 1, beispielsweise zur Mes­ sung der Position eines in der Figur nicht dargestellten Kol­ bens in einem Hydraulikzylinder, enthält ein im wesentlichen zylinderförmig gestalteter Meßkopf 2, der in einem rohrförmigen Hohlraum 4 in Richtung der Mittelachse 6 beweglich gelagert ist, eine Strahlungsquelle 8, deren Hauptstrahlungsrichtung mit der Mittelachse 6 des Rohres 4 zusammenfällt. Es kann vorzugs­ weise eine Strahlungsquelle für infrarotes oder sichtbares Licht, insbesondere eine Leuchtdiode LED (light emitting dio­ de), vorgesehen sein, die im Meßkopf 2 unbeweglich angeordnet, beispielsweise in einen selbsthärtenden Kunststoff 28 einge­ gossen ist. Rotationssymmetrisch zur Mittelachse 6 ist ein Spiegel 10 mit einer der Strahlungsquelle 8 zugewandten Spie­ gelfläche 11 in der Form eines Rotationsellipsoids angeordnet. Mit dieser Spiegelfläche 11 wird der Mittelpunkt F₁ der Strah­ lungsquelle 8 auf einer Kreisringfläche 13 abgebildet, die im Schnitt der Figur als schmaler Streifen dargestellt ist, des­ sen Breite sich in axialer Richtung symmetrisch zu F₂ er­ streckt. Diese Kreisringfläche 13 liegt auf der Oberfläche einer digitalen Maßeinteilung 12 an der Innenwand des Rohres 4. Diese Maßeinteilung 12 dient als Reflektor und reflektiert bzw. remittiert die Strahlung der Strahlungsquelle 8 zu einer Anord­ nung von Detektoren 14 bis 23, von denen im Schnitt der Fig. 1 lediglich zwei sichtbar und mit 14 und 19 bezeichnet sind. Die Erzeugende des Rotationsellipsoids der Spiegelfläche 11 ist als Ellipse ausgebildet, deren einer Brennpunkt F₁ mit dem auf der Mittelachse 6 liegenden Mittelpunkt der Strahlungsquelle 8 zu­ sammenfällt und deren anderer Brennpunkt F₂ auf der Maßeintei­ lung 12 an der inneren Oberfläche des Rohres 4 liegt.

Für eine Kodierung mit n digitalen Stellen besteht die Maßein­ teilung 12 aus n azimutal nebeneinander angeordneten Codie­ rungsleitern, die entsprechend den ersten n Stellen des be­ nutzten Codes, vorzugsweise des Gray-Codes, in weiße, d.h. reflektierende oder remittierende, und schwarze, d.h. nicht reflektierende und nicht remittierende Felder unterteilt sind. Durch die dargestellte Beleuchtungsanordnung werden in axialer Höhe des Brennringes des Ellipsoids alle n Codierungsleitern in gleicher Weise auf einem in Achsrichtung sehr schmalen Streifen beleuchtet. Durch n mit der Strahlungsquelle 8 starr verbunde­ ne, in gleicher azimutaler Verteilung wie die Codierungsleitern angeordnete Detektoren, von denen nur die Detektoren 14 und 19 sichtbar sind, wird jeder Stelle des Codes ein Anzeigeelement zugeordnet. Besteht die Codierung der Maßeinteilung 12 aus n Codierungsleitern aus hellen - d.h. remittierenden oder reflek­ tierenden - und dunklen Streifen, dann liefern die n Photo­ ströme der Detektoren 14 bis 23 ein eindeutiges Maß für die Position des Meßkopfes 2 relativ zu der Maßeinteilung 12 des Rohres 4 mit einer Auflösung von 2^-n.

In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Messung der Position eines beweglichen Körpers gemäß Fig. 2 ist die Strah­ lungsquelle 8 in einem Bauteil 24 des Meßkopfes 2 angeordnet, an dessen äußerem Umfang die n Detektoren angeordnet sind, von denen im Schnitt der Fig. 2 wiederum lediglich zwei sichtbar und mit 14 und 19 bezeichnet sind. Die Strahlung der Strah­ lungsquelle 8 wird zunächst an der Spiegelfläche 11 des Spie­ gels 10 reflektiert, anschließend an der Maßeinteilung 12 re­ flektiert bzw. remittiert und gelangt dann zu den Detektoren 14 und 19, deren elektrische Anschlüsse in der Figur zur Ver­ einfachung nicht dargestellt sind. Die elektrischen Anschlüsse der Strahlungsquelle 8 sind in der Figur angedeutet und mit 32 und 33 bezeichnet. Der Meßkopf 2 ist an einem hohlzylindrischen Führungskörper 26 befestigt. Mit der Bewegung dieses Führungs­ körpers 26 in Richtung der Mittelachse 6 wird der Brennring F₂ der Strahlungsquelle 8 an der Maßeinteilung 12 verschoben. Die­ se Positionsänderung wird von den Detektoren 14 bis 23 regi­ striert.

Zum leichteren Verständnis sind in den Fig. 1 und 2 auf den den Detektoren 14 bzw. 19 zugeordneten Codierungsleitern Dual­ codierungen der ersten beiden Dualstellen angezeichnet. Die auf der Innenseite der rohrförmigen Maßeinteilung 12 angeordneten Codierungsleitern wurden dabei lediglich in der Schnittebene angedeutet, im übrigen aber der Einfachheit wegen fortgelassen.

Dem Schnitt der Fig. 3 ist die Anordnung der Detektoren 14 bis 23 am Bauteil 24 und die Anordnung der Codierungsleitern 34 bis 43 der Maßeinteilung 12 konzentrisch zur nicht näher bezeichne­ ten Mittelachse 6 zu entnehmen. Zwischen den Detektoren 14 bis 23 sind in der Figur nicht näher bezeichnete Stege angeordnet, die den Spiegel 10 mit dem Träger 24 für die Detektoren 14 bis 23 verbinden und zugleich die Detektoren 14 bis 23 gegenseitig abschirmen. Interpretiert man ein dunkles Feld auf einer Codie­ rungsleiter als "1", ein helles Feld als "0", dann entspricht das in der Schnittebene eingezeichnete Codierungsbeispiel 1000010101 beispielsweise bei Interpretation als Dualcode der Zahl 533 und bei Interpretation als Graycode der Zahl 998.

Die Wand des rohrförmigen Hohlraums 4 kann in einfacher Weise durch Einschieben einer in Rohrform gebogenen Folie in diesen Hohlraum oder eines entsprechend gebogenen Bleches, auf deren innerer Oberfläche die Codierungsleitern 34 bis 43 aufgebracht sind, mit der Maßeinteilung 12 versehen werden. Die Struktur der in die Ebene abgewickelten Maßeinteilung für die genannte Folie oder das Blech ist in Fig. 4 für eine Ausführung mit beispielsweise n=10 Codierungsleitern und Codierung im Gray- Code dargestellt, wobei schwarze Felder die Gray-Ziffer "1" repräsentieren, helle Felder die Gray-Ziffer "0". Die Bezeich­ nungen 34 bis 43 sind jeweils am oberen und unteren Ende der entsprechenden Codierungsleiter angeschrieben. Links neben der Abwicklungsfigur sind die den Codierungen entsprechenden Dezi­ malzahlen angeschrieben. Da nur die Teilbereiche von 1 bis 30 und von 991 bis 1000 dargestellt sind, enthalten hier die Co­ dierungsleitern 40, 41 und 42 nur helle bzw. weiße Felder.

Um die bekannte Eigenschaft des Gray-Codes, nämlich das ein­ deutige Umschalten beim Durchlaufen der Codierungsleitern ohne undefinierte Zwischenzustände, sicher nutzen zu können, werden vorteilhaft die in Fig. 4 eingezeichneten horizontalen Ab­ grenzungslinien zwischen den Bitfeldern innerhalb der einzelnen Codierungsleitern fortgelassen. Dagegen werden vorteilhaft, um eine Querempfindlichkeit der Detektoren und dadurch verursach­ tes "Übersprechen" benachbarter Codierungsleitern zu verhin­ dern, schwarze, d.h. nicht reflektierende und nicht remittie­ rende Trennstriche zwischen den Leitern angeordnet.

Die Abwicklung einer dementsprechend vorteilhaften und bevor­ zugten Maßeinteilung ist in Fig. 5 dargestellt, wobei im übri­ gen dieselben Teilbereiche wie in Fig. 4 angegeben sind. Mit den im Ausführungsbeispiel beschriebenen 10 Codierungsleitern läßt sich der Meßbereich bekanntlich bis auf 2¹⁰=1024 Einzel­ schritte erweitern.

Claims (6)

1. Anordnung zur Messung der Position eines geradlinig beweg­ lichen Körpers relativ zu einem Referenzkörper, insbesondere der Position des Kolbens in einem Hydraulikzylinder, mit digi­ tal-absoluter Meßwerterfassung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Ein in dem beweglichen Körper angebrachter zylindrischer Hohlraum (4), dessen Achse (6) zur Bewegungsrichtung paral­ lel ist, enthält auf seiner zylindrischen Wand eine hohl­ zylindrische digitale Maßeinteilung (12),
• b) ein im wesentlichen zylindrischer Meßkopf (2), der mit dem Referenzkörper derart starr verbunden ist, daß seine Achse mit der Achse (6) des Hohlraumes (4) zusammenfällt, enthält eine Strahlungsquelle (8), deren Hauptstrahlungsrichtung in der Zylinderachse (6) liegt,
• c) dieser Strahlungsquelle (8) ist ein Spiegel (10) zugeordnet, dessen Spiegelfläche (11) ein Rotationsellipsoid bildet, das derart konzentrisch zur Zylinderachse (6) angeordnet ist, daß ein Brennpunkt F₁ im Mittelpunkt der Strahlungsquelle (8) und der andere Brennpunkt F₂ der erzeugenden Ellipse auf einer Kreisringfläche (13) liegt, welche den Meßkopf (2) konzentrisch umgibt,
• d) diese Kreisringfläche (13) liegt auf der inneren Oberfläche der hohlzylindrischen digitalen Maßeinteilung (12).

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Maßeinteilung (12) im Gray-Code.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Maßeinteilung (12) im Dual-Code.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für eine Codierung mit n digitalen Stellen die Maßeinteilung (12) aus n azimutal nebeneinander angeordne­ ten Codierungsleitern (34 bis 43) besteht (Fig. 3 und 5).

5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (8) für sichtbares Licht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (8) für Infrarot-Strahlung.