DE9417204U1

DE9417204U1 - Device for detecting the position and / or the speed of a piston of a cylinder-piston unit

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Publication number: DE9417204U1
Application number: DE9417204U
Authority: DE
Original assignee: Alp Westf Berg & Tunneltechnik
Current assignee: Alp Westf Berg & Tunneltechnik
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2004-10-27

Description

Alpine Westfalia Berg- und Tunneltechnik GmbH & Co.Alpine Westfalia Berg- and Tunneltechnik GmbH & Co.

in Lünen (BRD)in Lünen (Germany)

Einrichtung zur Erfassung der Lage und/oder dec Geschwindigkeit eines Kolbens eines ZvlinderkolbenaggregatesDevice for detecting the position and/or speed of a piston of a cylinder piston unit

Die Neuerung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der Lage und/oder der Geschwindigkeit der Lageveränderung eines Kolbens eines Zylinderkolbenaggregates relativ zum Zylinder desselben.The innovation relates to a device for detecting the position and/or the speed of the change in position of a piston of a cylinder-piston unit relative to the cylinder of the same.

Für die Erfassung der Position eines Kolbens relativ zu einem Zylinder sind eine Reihe von mehr oder weniger aufwendigen Konstruktionen bekannt geworden. Die bekannten Konstruktionen sehen durchwegs grundsätzlich konstruktive Veränderungen am Hydraulikzylinder vor und sind in der Regel nicht ohne aufwendige Neukonstruktion des Zylinderkolbenaggregates einsetzbar. Eine nachträgliche Ausstattung von beliebigen Zylinderkolbenaggregaten ist mit den bekannten Vorschlägen nicht ohne weiteres möglich.A number of more or less complex designs have become known for detecting the position of a piston relative to a cylinder. The known designs generally require fundamental structural changes to the hydraulic cylinder and are generally not usable without a complex redesign of the cylinder-piston unit. Retrofitting any cylinder-piston unit is not easily possible with the known proposals.

Aus der AT-PS 392 126 ist beispielsweise ein Hydraulikzylinder mit einem Kolben bekannt geworden, dessen Kolbenstange ein axiales Sackloch zur Aufnahme eines an der Stirnseite des Zylinders befestigten Rohres aufweist. Zur Lageerfassung des Kolben sind Schallmagnete und Steuersignalschalter vorgesehen, wobei Steuersignalschalter in einem mit Gießharz angefüllten Rohr- und Schaltmagneten im Sackloch der Kolbenstange vorgesehen sind.For example, AT-PS 392 126 discloses a hydraulic cylinder with a piston whose piston rod has an axial blind hole for receiving a tube attached to the front of the cylinder. Sound magnets and control signal switches are provided to detect the position of the piston, with control signal switches being provided in a tubular housing filled with cast resin and switching magnets in the blind hole of the piston rod.

Aus der EP-A 536 921 ist die Verwendung von Hallsensoren für die Erfassung der Bewegung einer Kolbenstange eines Zylinderkolbenaggregates zu entnehmen.EP-A 536 921 describes the use of Hall sensors for detecting the movement of a piston rod of a cylinder-piston unit.

Schließlich ist aus der EP-Al 441 981 bereits ein Zylinder be-3c kannt geworden, bei welchem eine Mehrzahl zusätzlicher Bauteile in die Kolbenstange bzw.in den Zylinder für dieFinally, a cylinder has already become known from EP-Al 441 981 be-3c in which a number of additional components are integrated into the piston rod or the cylinder for the

Erfassung der Bewegung der Kolbenstange relativ zu einem Zylinder vorgesehen waren.intended to detect the movement of the piston rod relative to a cylinder.

Die Neuerung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche nachträglich in bereits bestehende Zylinderkolbenaggregate ohne aufwendige Adaptierungsarbeiten eingebaut werden kann und ein hohes Maß an Betriebssicherheit aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die neuerungsgemäße Einrichtung im wesentlichen darin, daß ein Sender und ein Empfänger für elektromagnetische Wellen, wie z.B. Laser- oder Mikrowellen, am Kolben oder Zylinder vorgesehen ist, daß mit oder an dem jeweils anderen Teil des Zylinderkolbenaggregates eine Reflexionsfläche verbunden oder ausgebildet ist und daß die Entfernung oder die Geschwindigkeit aus der Zeitverzögerung zwischen ausgesandter Welle und empfangenem Echo ermittelt wird. Dadurch, daß hier nach Art eines Echolotes lediglich nachträglich ein Sender und ein Empfänger angeordnet werden muß und für die Ausbildung eine entsprechende Reflexionsstelle bzw. Reflexionsfläche Sorge getragen werden muß, wird der mechanische Aufwand für die nachträgliche Umrüstung und den nachträglichen Einbau auf ein Minimum reduziert. Die Meßtechnik, wie sie für derartige Echolotmessungen erforderlich ist, ist durchwegs in anderem Zusammenhang Stand der Technik und stellt keine nennenswerten Probleme dar. Es können auch relativ kurze Distanzen mit hoher Meßgenauigkeit erfaßt werden und durch entsprechende Auswahl der Stelle, an welcher Sender und Empfänger angeordnet sind und der Reflexionsfläche können Störeinflüsse weitestgehend verhindert werden. In besonders einfacher Weise kann dieThe innovation aims to create a device of the type mentioned at the beginning, which can be retrofitted into existing cylinder-piston units without complex adaptation work and which has a high degree of operational reliability. To solve this problem, the innovative device essentially consists in providing a transmitter and a receiver for electromagnetic waves, such as lasers or microwaves, on the piston or cylinder, in connecting or forming a reflection surface with or on the other part of the cylinder-piston unit, and in determining the distance or speed from the time delay between the emitted wave and the received echo. Because only a transmitter and a receiver have to be retrofitted in the manner of an echo sounder and a corresponding reflection point or reflection surface has to be provided for the retrofitting, the mechanical effort required for retrofitting and installation is reduced to a minimum. The measuring technology required for such echo sounder measurements is always state of the art in other contexts and does not pose any significant problems. Even relatively short distances can be measured with high measurement accuracy and by selecting the location where the transmitter and receiver are located and the reflection surface, interference can be largely prevented. The

3Q Ausbildung hiebei so getroffen werden, daß der Sender in einer außermittigen Bohrung oder Durchbrechung des Zylinders angeordnet ist. Im Falle der Anordnung des Senders und des Empfängers in einer außermittigen Bohrung kann beispielsweise, wie es einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung entspricht,3Q The design can be such that the transmitter is arranged in an off-centre hole or opening in the cylinder. In the case of the arrangement of the transmitter and the receiver in an off-centre hole, for example, as corresponds to another preferred embodiment,

oc die Reflexionsfläche als mit der Kolbenstange verbundener Spiegel ausgebildet sein. Wenn insbesondere in Zylinderkolbenaggregaten, welche nicht höchsten Drücken ausgesetzt sind, dasoc the reflection surface is designed as a mirror connected to the piston rod. If, in particular in cylinder piston units which are not exposed to the highest pressures, the

Durchbohren einer Stirnwand des Zylinders und das nachträgliche Abdichten keine unüberwindbaren Schwierigkeiten darstellt, kann naturgemäß in besonders vorteilhafter Weise der Sender und der Empfänger in einer außermittigen Durchbrechung des Zylinders angeordnet sein, wobei dann die Reflexionsfläche von dem im Zylinder geführten Kolben selbst gebildet werden kann. Eine derartige Ausbildung ist gegen Fremdeinflüssen völlig abgekapselt und. kann insbesondere bei pneumatischen Zylindern besonders vorteilhaft sein.Drilling through an end wall of the cylinder and subsequently sealing it does not present insurmountable difficulties, the transmitter and receiver can naturally be arranged in an off-center opening in the cylinder in a particularly advantageous manner, whereby the reflection surface can then be formed by the piston itself guided in the cylinder. Such a design is completely sealed against external influences and can be particularly advantageous in pneumatic cylinders.

Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen und mit einem relativ einfachen apparativen Aufwand ein Maximum an Störsicherheit zu erzielen, ist mit Vorteil die Ausbildung so getroffen, daß der Sender mit einem Modulator ausgestattet ist, welcher einer elektromagnetischen Welle, wie z.B. einer Laserwelle, Rechtecksignale aufmoduliert. Derartige Rechtecksignale können mit Vorteil als Signalpakete in definierten zeitlichen Abständen aufmoduliert werden. Nach einer ensprechenden Kalibrierung kann aus dem Zeitversatz der Ein- bzw. Ausgangssignale auf den Kolbenhub und in Kenntnis der Zeit naturgemäß auch auf die Kolbenhubgeschwindigkeit geschlossen werden. Das Referenzsignal muß hiezu selbstverständlich gleichfalls der Auswerteschaltung zur Verfügung gestellt werden, wobei mit Vorteil die Ausbildung so getroffen ist, daß der Sender und der Empfänger mit einer Auswerteschaltung verbunden ist.In order to increase the measurement accuracy and to achieve maximum interference immunity with relatively simple equipment, it is advantageous to design the transmitter so that it is equipped with a modulator which modulates square-wave signals onto an electromagnetic wave, such as a laser wave. Such square-wave signals can be advantageously modulated as signal packets at defined time intervals. After appropriate calibration, the piston stroke can be determined from the time offset of the input and output signals and, knowing the time, the piston stroke speed can naturally also be determined. The reference signal must of course also be made available to the evaluation circuit for this purpose, whereby it is advantageous to design the transmitter and the receiver to be connected to an evaluation circuit.

Um bei größerem räumlichen Abstand zwischen der Auswerteschaltung und dem Sender und dem Empfänger Störungen über die Signalleitungen weitestgehend zu minimieren, ist die Ausbil-In order to minimize interference via the signal lines when there is a large spatial distance between the evaluation circuit and the transmitter and receiver, the training

3Q dung mit Vorteil so getroffen, daß die Meßsignale des Empfängers und des Senders als digitale Signale der Auswerteschaltung zugeführt sind und nach einer Digital/Analogwandlung ausgewertet werden. Die Digitalisierung kann hiebei beispielsweise durch Umwandlung in Zählsignale eines Zeitgebers erfol-3Q The arrangement is advantageously such that the measuring signals from the receiver and the transmitter are fed to the evaluation circuit as digital signals and are evaluated after a digital/analog conversion. The digitization can be carried out, for example, by converting them into counting signals from a timer.

Die Neuerung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig.l eine erste Ausbildung eines Zylinderkolbenaggregates, in welchem der Zylinderdeckel eine Durchbrechung für eine Sender/Empfängerbaueinheit aufweist und Fig.2 eine abgewandelte Ausbildung, bei welcher eine Spiegelfläche an der Kolbenstange vorgesehen ist.The innovation is explained in more detail below using exemplary embodiments shown schematically in the drawing. In this, Fig. 1 shows a first design of a cylinder-piston unit in which the cylinder cover has an opening for a transmitter/receiver unit and Fig. 2 shows a modified design in which a mirror surface is provided on the piston rod.

Bei der Ausbildung nach Fig.l ist der Zylinder 1 des Zylinderkolbenaggregates 2 mit einer außermittigen Durchbrechung 3 im Zylinderdeckel 4 ausgebildet. In diese außermittige Durchbrechung 3 ist ein Sender/Empfänger 5 eingebaut, wobei der Sender/Empfänger 5 zum Kolbenraum 6 über eine für die verwendete elektromagnetische Strahlung durchlässige Platte, insbesondere eine Glasplatte 7, abgedichtet ist. Dem Sender 5 werden modulierte elektrische Signale in Form von Signalpaketen 8 zur Verfügung gestellt, wobei die auf die Ringfläche des Kolbens 9 auftreffenden und reflektierten Strahlen in der Folge vom Empfänger der Sender/Empfängerbaueinheit 5 empfangen werden. Aus der zeitlichen Verschiebung &Dgr; t der Signale läßt sich der Abstand H ermitteln. Die Änderung des Abstandes H nach der Zeit ergibt unmittelbar die Kolbenhubgeschwindigkeit. Die Auswerteschaltimg, enthaltend einen Digital/Analogwandler 10, ist mit 11 bezeichnet. Bei der Ausbildung nach Fig.l können Anbauten an der Kolbenstange 12 unterbleiben und alle Bauteile können geschützt untergebracht werden.In the design according to Fig. 1, the cylinder 1 of the cylinder-piston unit 2 is designed with an eccentric opening 3 in the cylinder cover 4. A transmitter/receiver 5 is built into this eccentric opening 3, whereby the transmitter/receiver 5 is sealed from the piston chamber 6 by a plate that is permeable to the electromagnetic radiation used, in particular a glass plate 7. Modulated electrical signals in the form of signal packets 8 are made available to the transmitter 5, whereby the rays striking and reflected on the ring surface of the piston 9 are subsequently received by the receiver of the transmitter/receiver unit 5. The distance H can be determined from the time shift Δ t of the signals. The change in the distance H over time directly results in the piston stroke speed. The evaluation circuit, containing a digital/analog converter 10, is designated 11. With the design according to Fig.l, attachments to the piston rod 12 can be omitted and all components can be housed in a protected manner.

Bei der Ausbildung nach Fig.2 ist die Sender/Empfängerbaueinheit in einer Ausnehmung bzw. Bohrung des Zylinderdeckels 4In the design according to Fig.2, the transmitter/receiver unit is in a recess or hole in the cylinder cover 4

3Q eingebaut. Der Kolbenraum 6 muß somit nur im Bereich der Durchführung der Kolbenstange durch den Zylinderdeckel entsprechend gedichtet werden. Bei einseitig beaufschlagtem Kolben 9, beispielsweise bei Beaufschlagung des Arbeitsraumes 13 ohne Gegenbeaufschlagung im Kolbenraum 6, ist eine aufwendige Dichtung nicht erforderlich. Die Meßwerte werden analog wie bei der Ausbildung gemäß Fig.l gebildet, wobei hier mit der Kolbenstange 12 eine externe Reflexionsfläche 14 verbunden3Q is installed. The piston chamber 6 therefore only needs to be sealed in the area where the piston rod passes through the cylinder cover. If the piston 9 is acted upon from one side, for example if the working chamber 13 is acted upon without counteracting the piston chamber 6, a complex seal is not required. The measured values are formed in the same way as in the design according to Fig. 1, whereby an external reflection surface 14 is connected to the piston rod 12.

ist, welche mit der Kolbenstange 12 verschweißt ist. Die gemessene Distanz kann auf den Hub h durch entsprechende Addition des Abstandes zwischen der Reflexionsfläche 14 und dem Lagerauge 15 der Kolbenstange 12 ermittelt werden und die Auswertung erfolgt wiederum in der in Fig.l bereits erläuterten Weise.which is welded to the piston rod 12. The measured distance can be determined for the stroke h by adding the distance between the reflection surface 14 and the bearing eye 15 of the piston rod 12 and the evaluation is again carried out in the manner already explained in Fig.l.

Insgesamt ist der Einbau von Sende/Empfangseinheiten in den Zylinderboden eines Zylinderkolbenaggregates mit geringstem Aufwand verbunden und es sind vor allen Dingen keine aufwendigen konstruktiven Adaptierungsarbeiten erforderlich. Eine Behinderung von außen kann in beiden Fällen kaum erfolgen, da einerseits der Kolbenraum und andererseits der Raum neben der Kolbenstange ohnedies frei von Fremdeinflüssen zu halten ist, um ein Blockieren des ZyI inderko lbenaggr egat es zu verhindern.Overall, the installation of transmitting/receiving units in the cylinder base of a cylinder piston unit involves minimal effort and, above all, no complex structural adaptation work is required. In both cases, there is hardly any obstruction from the outside, since the piston chamber on the one hand and the space next to the piston rod on the other hand must be kept free of external influences in order to prevent the cylinder piston unit from blocking.

Claims

Protection claims:

1. Device for detecting the position and/or the speed of the change in position of a piston of a cylinder-piston unit relative to the cylinder of the same, characterized in that a transmitter and a receiver for electromagnetic waves, such as laser or microwaves, are provided on the piston or cylinder, that a reflection surface is connected or formed with or on the other part of the cylinder-piston unit, and that the distance or the speed is determined from the time delay between the emitted wave and the received echo.

2. Device according to claim 1, characterized in that the transmitter is arranged in an off-center bore or opening in the cylinder.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection surface is designed as a mirror connected to the piston rod.

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the transmitter is equipped with a modulator which modulates square-wave signals onto an electromagnetic wave such as a laser wave.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the modulator modulates signal packets at defined time intervals.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transmitter and the receiver are connected to an evaluation circuit.

Tc V. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring signals of the receiver and the transmitter

are fed to the evaluation circuit as digital signals and are evaluated after a digital/analog conversion.