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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein vorgesteuertes Wegeventil
mit Positionsermittlung, bei welchem durch die Verwendung von Licht die
Ermittlung der jeweiligen Arbeitsposition eines Ventilglieds, wie
etwa einer Spule, verbessert wird.
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Ein
Wegeventil, welches in der Lage ist, mittels eines Magneten die Übergangsposition
einer Spule zu ermitteln, ist bekannt und wird etwa in Japanese
Unexamined Utility Model Publication No. 2-66784 (Japanische Veröffentlichung über ungeprüfte Gebrauchsmuster
Nr. 2-66784) offenbart (Japanese Utility Model Application No. 63-144027
auf Mikrofiche). Bei diesem Wegeventil wird die Übergangsposition der Spule
dadurch ermittelt, dass ein Magnet auf der Spule und ein magnetischer
Sensor auf dem Gehäuse
montiert wird und der Sensor in der Folge die gemeinsame Bewegung
des Magneten und der Spule ermittelt.
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Das
bekannte Wegeventil, das in der oben genannten, bekannten Veröffentlichung
beschrieben wird, verwendet jedoch einen Magneten als zu erfassenden
Gegenstand, wobei die vom Magneten ausgehende magnetische Kraft
von einem magnetischen Sensor erfasst wird, daher ist das herkömmliche
Wegeventil für
Störungen
durch äußere Magnetfelder
anfällig.
Wenn beispielsweise ein Schweißgerät, welches
eine große
Menge an Strom aufnimmt, oder ein größerer Elektromotor in der Nähe eingesetzt
wird, kann auf Grund des durch den Strom erzeugten externen Magnetfeldes
der magnetische Sensor versagen. Dadurch wird es schwierig, eine bestimmte
Genauigkeit beim Ermittlungsvorgang einzuhalten, und die Verlässlichkeit
ist problematisch geworden.
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Die
zuvor erwähnte
Veröffentlichung
schlägt zwar
vor, die Übergangsposition
mittels optischen Sensors zu ermitteln, wodurch ohne Beeinflussung durch
externe Magnetfelder einzelne Positionen der Spule ermittelt werden
können,
die Veröffentlichung offenbart
jedoch keine einschlägige
Konstruktion zur Umsetzung dieses Vorschlags.
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U.S.
5819783 offenbart ein Drei-Wegeventil mit einem optischen Sensor
zur Ermittlung der Spulenposition. Der optische Sensor sendet einen
Lichtstrahl entweder in Richtung der Spule oder in Richtung eines
die Spule bewegenden Kolbens, ferner ist ein Lichtmelder zur Erfassung
des durch den Zielgegenstand reflektierten Lichts vorgesehen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein vorgesteuertes Wegeventil mit Positionsermittlung vorgesehen,
welches ein mit einer Mehrzahl von Steueröffnungen und einer Ventilöffnung,
in welche jede einzelne Steueröffnung
einmündet,
geformtes Gehäuse,
ein in der Ventilöffnung
verschiebbar angebrachtes Ventilglied zur Umschaltung des Flusses zwischen
den Steueröffnungen,
eine Kolbenkammer an zumindest einem Ende des Ventilglieds, einen
in der Kolbenkammer verschiebbar angebrachten Kolben, wobei der
Kolben auf den Steuerflüssigkeitsdruck
reagiert und das Ventilglied umschaltet, ein Steuerventil zur Versorgung
des Kolbens mit Steuerflüssigkeit,
ein im Gehäuse
geformtes Querloch und einen optischen Sensor umfasst, welcher so
angeordnet ist, dass er durch das Querloch hindurch einen Lichtstrahl
projiziert und das reflektierte Licht wieder empfängt, wobei
die Menge des dabei wieder empfangenen Lichts von der Position des
Kolbens abhängt
und der optische Sensor somit anhand des reflektierten Lichts die
jeweilige Arbeitsposition des Kolbens ermittelt, dadurch gekennzeichnet,
dass das Ventil als Wegeventil ausgebildet ist und darüber hinaus
eine Belüftungskammer,
welche nach außen
hin offen ist und im Gehäuse
zwischen Ventilglied und Kolben angeordnet ist, einen zu ermittelnden
Gegenstand, welcher parallel zur Achse des Kolbens hervorsteht und
neben der Belüftungskammer
an der Stirnfläche
des Kolbens angeordnet ist, und eine Ausnehmung zur Aufnahme des
zu ermittelnden Gegenstands umfasst, wobei die Ausnehmung im Gehäuse in einer
Wandfläche
der Belüftungskammer vorgesehen
ist und das Querloch an einer Stelle gegenüber von der Ausnehmung geformt
ist, wodurch die jeweilige Arbeitsposition des Gegenstands innerhalb
der Ausnehmung ermittelt werden kann.
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Im
Falle des Wegeventils mit den oben beschriebenen Merkmalen, wenn
durch das Steuerventil dem Kolben Steuerflüssigkeit zugeführt wird,
veranlasst der Steuerflüssigkeitsdruck
den Kolben, das Ventilglied umzuschalten. Gleichzeitig projiziert
der optische Sensor einen Lichtstrahl durch das Querloch im Gehäuse und
empfängt
das reflektierte Licht wieder, wodurch die jeweilige Arbeitsposition
des Kolbens bzw. des Ventilglieds auf Grund der sich verändernden
Menge an wieder empfangenem Licht ermittelt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es daher möglich,
die jeweilige Position eines Ventilglieds mittels optischen Sensors
zu ermitteln, und dies ohne Beeinflussung durch ein externes Magnetfeld.
Darüber
hinaus ergibt sich dadurch eine einfachere Bauweise der Erfassungsvorrichtung,
denn das Wegeventil ist so konstruiert, dass die Bewegungen des Ventilglieds
nicht unmittelbar, sondern mittelbar, über den Kolben, erfasst werden.
Wäre das
Wegeventil nämlich
zur direkten Erfassung eines Ventilglieds konstruiert, so müsste das
Querloch an irgendeiner Stelle geformt sein, von welcher aus das
Ventilglied in der Ventilöffnung
durch das Querloch hindurch ersichtlich wäre, damit der Lichtstrahl hindurchprojiziert und
im Verhältnis
zum Ventilglied wieder empfangen werden könnte. Eine solche Stelle wäre jedoch
in einem Teil des Gehäuses
unmittelbar gegenüber
von einem Flüssigkeitskanal,
folglich müsste
das Querloch so geformt und der optische Sensor so angebracht sein,
dass keine hydraulische Flüssigkeit
entweichen könnte.
Das würde
zu einer komplizierten Bauweise führen, und die maschinelle Bearbeitung wäre schwierig.
Wenn hingegen das Querloch an einer Stelle des Gehäuses vorgesehen
ist, von der aus Licht hindurchprojiziert und entsprechend der Kolbenposition
durch das Querloch hindurch wieder empfangen wird, kann die Erfassungsvorrichtung ohne
Rücksicht
auf Flüssigkeitskanäle angebracht werden.
Damit ist eine Konstruktion, welche das Entweichen von hydraulischer
Flüssigkeit
verhindert, nicht mehr notwendig.
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Mittels
des zu erfassenden Gegenstands kann auch der Kolben verlässlich erfasst
werden. Darüber
hinaus, auch wenn der optische Sensor unmittelbar gegenüber von
dem zu erfassenden Gegenstand angebracht wird, indem das Querloch
zur Ausnehmung hin offen geformt wird, ist keine Gefahr des Entweichens
von hydraulischer oder Steuerflüssigkeit
gegeben, da die Ausnehmung innerhalb der Belüftungskammer geformt wird.
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Dadurch,
dass der optische Sensor an einer zuvor festgelegten Stelle am Gehäuse des
Wegeventils angebracht wird, ergibt sich ein weiterer Vorteil, denn
dadurch werden Wartungsarbeiten erleichtert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der zu erfassende Gegenstand ringförmig und weist denselben Durchmesser
auf wie der Kolben, und die Ausnehmung ist ebenfalls ringförmig und weist
denselben Durchmesser auf wie die Kolbenkammer.
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert mit Hinweis auf die beigelegten
Zeichnungen, bei denen:
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1 einen
Längsschnitt
der ersten Ausführungsform
des Wegeventils gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2 den
Hauptabschnitt aus 1 in Vergrößerung zeigt;
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3 einen
Längsschnitt
des Hauptabschnitts der zweiten Ausführungsform des Wegeventils
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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1 zeigt
die erste Ausführungsform
des Wegeventils gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das hier als Beispiel angeführte Wegeventil wird mit einem
Steuerventil vorgesteuert, wobei das Hauptventil 1 vom
Steuerventil 2 umgeschaltet wird.
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Das
Hauptventil 1 verfügt über fünf Steueröffnungen
und ein Gehäuse 4.
Gehäuse 4 umfasst ein
erstes, würfelförmiges Glied 4a,
ein zweites Glied 4b, welches mit einem Ende des ersten
Glieds 4a verbunden ist und als Aufsatz zur Montage des
Steuerventils 2 dient, und ein drittes Glied 4c,
welches mit dem anderen Ende des ersten Glieds 4a verbunden ist
und als Enddeckel dient.
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Ein
Einlassöffnung
P sowie zwei Auslassöffnungen
E1 und E2 sind auf der oberen und unteren Fläche des ersten Glieds 4a und
zwei Auslassöffnungen
A und B sind auf der anderen Fläche
vorgesehen. Im ersten Glied 4a ist eine axial angeordnete Ventilöffnung 5 vorgesehen,
in welche jede dieser Steueröffnungen
einmündet.
In Ventilöffnung 5 wird eine
Spule 6 verschiebbar angebracht, welche als Ventilglied
zur Umschaltung des Flusses dient.
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Um
die Außenfläche von
Spule 6 herum ist eine Mehrzahl von abdichtenden Gliedern
vorgesehen, welche gemeinsam die Flüssigkeitsströmung zwischen
den einzelnen Steueröffnungen
abgrenzen, und an beiden äußeren Endflächen von
Spule 6 sind abdichtende Endglieder 8 vorgesehen
zur Abdichtung von Belüftungskammern 9,
die sich gegenüber
den Enden von Spule 6 befinden, vor einem Einströmen hydraulischer
Flüssigkeit
aus Ventilöffnung 5.
Referenzziffer 10 in 1 bezeichnet
einen Führungsring
zur Stabilisierung von Spule 6 beim Gleiten.
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Andererseits
sind im zweiten Glied 4b bzw. im dritten Glied 4c die
Kolbenkammern 11a bzw. 11b jeweils gegenüber vom
Ende von Spule 6 geformt. Eine erste, im zweiten Glied 4b geformte
Kolbenkammer 11a, in welcher ein erster Kolben 12a mit
großem Durchmesser
verschiebbar angebracht ist, weist einen großen Durchmesser auf, während eine
zweite, im dritten Glied 4c geformte Kolbenkammer 11b,
in welcher ein zweiter Kolben 12b mit kleinem Durchmesser
verschiebbar angebracht ist, weist einen kleineren Durchmesser als
die erste Kolbenkammer 11a auf. Kolben 12a und 12b werden
entweder wie im Fall des ersten Kolbens 12a zu einer Einheit
mit Spule 6 gekoppelt oder liegen wie im Fall des zweiten Kolbens 12b an
den Enden von Spule 6 an, damit sich die Kolben 12a und 12b mit
Spule 6 synchron bewegen.
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Eine
erste und zweite Druckkammer 13a bzw. 13b werden
an der Rückseite
von Kolben 12a und 12b geformt d.h. auf der Seite
gegenüber
von jener Kolbenfläche,
die an Spule 6 anliegt. Belüftungskammern 9 und 9,
welche nach außen
hin offen sind, werden zwischen Kolben 12a bzw. 12b und
Spule 6 geformt. Druckkammern 13a und 13b sind
mittels Kolbenpackungen 15 und 15, welche auf
der Außenfläche der
Kolben 12a bzw. 12b angebracht sind, von Belüftungskammern 9 und 9 hermetisch
abgedichtet.
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Die
erste Druckkammer 13a, neben dem ersten Kolben 12a mit
großem
Durchmesser, wird mit Einlassöffnung
P über
die Steuerflüssigkeitskanäle 16a und 16b mittels
einer manuellen Betätigungsvorrichtung 17 sowie
des oben erwähnten
Steuerventils 2 verbunden, während die zweite Druckkammer 13b, neben
dem zweiten Kolben 12b mit kleinem Durchmesser, immer über den
Steuerflüssigkeitskanal 16c mit
Einlassöffnung
P verbunden wird. Während
Steuerventil 2 „ausgeschaltet" ist, d.h. die erste
Druckkammer 13a mit Steuerflüssigkeit nicht versorgt wird, wird
der zweite Kolben 12b durch den in der zweiten Druckkammer 13b entstehenden
Steuerflüssigkeitsdruck
verschoben, und Spule 6 wird nach links verschoben und
befindet sich in der ersten Umschaltstellung, wie in 1 dargestellt.
Sobald Steuerventil 2 eingeschaltet wird, d.h. die erste
Druckkammer 13a mit Steuerflüssigkeit versorgt wird, wird
Spule 6 durch den ersten Kolben 12a verschoben,
bewegt sich nach rechts und nimmt die zweite Umschaltstellung ein.
Die auf den ersten Kolben 12a wirkende und durch den Flüssigkeitsdruck
entstehende Kraft ist nämlich
größer als
jene auf den zweiten Kolben wirkende, da bei den Kolben 12a und 12b der
Raum zur Druckaufnahme unterschiedlich groß ist.
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Die
oben erwähnte
manuelle Betätigungsvorrichtung 17 wird
so ausgeführt,
dass beim Drücken
eines Betätigungselements 17a die
Steuerflüssigkeitskanäle 16a und 16b miteinander
verbunden werden, wodurch die erste Druckkammer 13a mit Steuerungsöffnung P
ebenfalls verbunden wird. Dieser Betriebszustand ist der gleiche
wie beim „eingeschalteten" Steuerventil 2.
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In
diesem Fall ist das oben erwähnte
Steuerventil 2 ein elektromagnetisch betätigtes Solenoidventil,
das bei Stromzufuhr die Steuerflüssigkeitskanäle öffnet bzw.
schließt.
Bauart und Funktionsweise von Steuerventil 2 gleichen denen
herkömmlicher Ventile,
daher werden sie hier nicht näher
erläutert.
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Das
oben erwähnte
Wegeventil wird mit einer Vorrichtung 20 zur Positionsermittlung
ausgestattet, welche anhand eines der beiden Kolben – als Beispiel
wird in den Zeichnungen der erste Kolben 12a angeführt – die jeweilige
Arbeitsposition der Spule 6 ermittelt. Wie in 2 dargestellt,
umfasst die Vorrichtung zur Positionsermittlung: den zu erfassenden Gegenstand 21,
der neben der Belüftungskammer 9 auf
der Stirnfläche
des Kolbens geformt ist; die Ausnehmung 22, in die der
zu erfassende Gegenstand eingepasst ist und die in der Wandfläche der
Belüftungskammer 9 im
ersten Abschnitt 4a des Gehäuses 4 geformt ist;
das Querloch 23; das Gehäuse 24 des optischen
Sensors, das so geformt ist, dass es auf einen Teil der Seitenwand
der Ausnehmung 22 hin offen ist; und den im Sensorgehäuse 24 untergebrachten
optischen Sensor 25. Der optische Sensor 25 hat
die Aufgabe, durch das Querloch 23 hindurch Licht in die
Ausnehmung 22 zu projizieren sowie das vom zu erfassenden
Gegenstand 21 reflektierte Licht zu empfangen. Das Querloch 23 kann
mit einem Deckel aus durchsichtigem Material, wie Glas oder Kunstharz,
versehen werden.
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Der
zu erfassende Gegenstand 21 ist ringförmig, weist denselben Durchmesser
auf wie der erste Kolben 12a und wird so geformt, dass
er parallel und koaxial zur Achse von Spule 6 von einer
Stirnfläche des
Kolbens hervorsteht. Zudem ist Aussparung 22 ebenfalls
ringförmig
und weist denselben Durchmesser wie Kolbenkammer 11a auf.
Wenn, wie in 1 und 2, Kolben 12a in
die erste Umschaltposition verschoben wird, befindet sich der zu
erfassende Gegenstand 21 in versetzter Lage gegenüber vom Querloch 23 und
ist daher nicht ermittelbar. Wenn Kolben 12a in die zweite
Umschaltposition gegenüber
von der ersten Umschaltposition verschoben wird, befindet sich der
zu erfassende Gegenstand 21 in einer ermittelbaren Position
und deckt Querloch 23 zu. Befindet sich der zu erfassende
Gegenstand 21 in einer nicht ermittelbaren Position, empfängt optischer
Sensor 25 kein reflektiertes Licht von dem zu erfassenden
Gegenstand 21, folglich ist optischer Sensor 25 im „ausgeschalteten" Zustand und sendet kein
Ausgangssignal. Befindet sich der zu erfassende Gegenstand 21 in
einer ermittelbaren Position hingegen, empfängt optischer Sensor 25 reflektiertes Licht
von dem zu erfassenden Gegenstand 21, folglich schaltet
sich optischer Sensor 25 „ein" und sendet ein Ausgangssignal. Durch
die Ermittlung der An- bzw. Abwesenheit des zu erfassenden Gegenstands 21 mittels
des optischen Sensors 25 ist es daher möglich, anhand des Kolbens 12a die
jeweilige Arbeitsposition von Spule 6 zu ermitteln. In
diesem Fall kann der zu erfassende Gegenstand zusätzlich mit einer
Platte zur Reflektion des Lichts versehen werden.
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Gemäß einer
zweiten, in 3 dargestellten Ausführungsform,
werden Querlöcher 23a und 23b sowie
optische Sensoren 25a und 25b an der Einlassseite
bzw. der unteren Seite der Aussparung 22 an zwei verschiedenen
Stellen angebracht. Wenn der zu erfassende Gegenstand 21 von
der ersten zur zweiten Umschaltposition, wie in den Zeichnungen dargestellt,
verschoben wird, ermittelt der erste optische Sensor 25a auf
der Einlassseite, indem er das reflektierte Licht aufnimmt und sich
einschaltet, den Hubanfang von Kolben 12a, während der
zweite optische Sensor 25b auf der unteren Seite, indem
er gleichermaßen
das reflektierte Licht aufnimmt und sich einschaltet, das Hubende
von Kolben 12a ermittelt.
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Im
umgekehrten Fall, wenn der zu erfassende Gegenstand 21 von
der zweiten zur ersten Umschaltposition zurück verschoben wird, ermittelt
der zweite optische Sensor 25b auf der unteren Seite, indem
er sich ausschaltet, den Hubanfang von Kolben 12a, während der
erste optische Sensor 25a auf der Einlassseite, indem er
sich ausschaltet, das Hubende von Kolben 12a ermittelt.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Wegeventil erlaubt daher die Verwendung der optischen
Sensoren 25, 25a und 25b die Positionsermittlung
von Spule 6 ohne Beeinflussung durch ein externes Magnetfeld.
Zudem ist die vorliegende Ausführungsform so
konstruiert, dass die Bewegungen der Spule von optischen Sensoren 25, 25a und 26a nicht
direkt erfasst werden, vielmehr wird die Spulenposition indirekt
durch das Erfassen des Kolbens ermittelt, damit die Vorrichtung
zur Positionsermittlung 20 ohne Rücksicht auf die Kanäle für die hydraulische
Flüssigkeit
eingebaut werden kann. Dadurch wird der Einbau der Vorrichtung zur
Positionsermittlung vereinfacht.
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Darüber hinaus
sieht die Bauweise der vorliegenden Ausführungsform vor, dass die Bewegungen
von Kolben 12a anhand des auf dem Kolben geformten Gegenstands 21 erfasst
werden, wodurch es möglich
wird, anhand des zu erfassenden Gegenstands 21 den Kolben 12a auch
dann verlässlich
zu erfassen, wenn um die Kolbenkammer 11a herum keine geeignete
Stelle zum Einbau der optischen Sensoren 25, 25a und 25b gefunden
und der Körper des
Kolbens 12a nicht direkt erfasst werden kann. Darüber hinaus,
auch wenn die optischen Sensoren 25, 25a und 25b unmittelbar
gegenüber
vom zu erfassenden Gegenstand 21 angebracht werden, indem
die Querlöcher 23, 23a und 23b zur
Ausnehmung 22 hin offen geformt werden, ist keine Gefahr des
Entweichens von hydraulischer oder Steuerflüssigkeit gegeben, da Ausnehmung 22 innerhalb
von Belüftungskammer 9 geformt
wird.
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Zudem
können
optische Sensoren 25, 25a und 25b an
eine Fehlererkennungsschaltung (nicht abgebildet) angeschlossen
werden, wobei diese Schaltung anhand der Signale von optischen Sensoren 25, 25a und 25b unterscheidet,
ob ein normales Umschalten von Kolben 12a – und folglich
auch von Spule 6 – nach
wie vor gegeben ist. In diesem Fall werden Werte zur Erkennung einer
anormalen Funktionsweise, wie etwa das Verhältnis von Taktzeit und Arbeitsposition
bei Spule 6 im Normalbetrieb bzw. der Bereich von Taktzeitwerten,
die als anormal gelten, vorher in die Schaltung einzugeben sein.
Die Fehlererkennungsschaltung wird so konstruiert, dass zwischen
normalem und anormalem Umschaltverhalten von Spule 6 unterschieden
wird, indem die Signale von optischen Sensoren 25, 25a und 25b mit
den oben erwähnten
Eingangsdaten verglichen werden. Dadurch ist es möglich, Anzeichen
einer Betriebsstörung
im Voraus zu erkennen und rechtzeitig Gegenmaßnahmen zu ergreifen, um somit
lange Maschinenstehzeiten auf Grund einer Störung oder eines Unfalls zu
vermeiden. Anhand der oben beschriebenen ersten Ausführungsform
wurde ein Wegeventil mit einem Steuerventil und zwei Kolben 12a und 12b, einem
großen
und einem kleinen, vorgestellt. Selbstverständlich könnte jedoch auch ein Wegeventil
mit Rückholfeder
verwendet werden, bei dem sich eine Rückholfeder anstelle des zweiten
Kolbens 12b mit kleinem Durchmesser befindet, welche Spule 6 durch die
Federkraft jedes Mal zurückschiebt.
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Das
oben beschriebene Wegeventil könnte außerdem ein
Ventil mit zwei Steuerventilen und zwei Kolben sein.
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Wie
oben bereits ausführlich
dargelegt, ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ein einfach konstruiertes, vorgesteuertes Wegeventil mit
Positionsermittlung vorgesehen, welche durch die Verwendung von
Lichtsensoren in der Lage ist, die jeweilige Arbeitsposition eines
Ventilglieds, wie etwa einer Spule, zu ermitteln.