EP2226514B1 - Vorrichtung zur Messung der axialen Position einer Kolbenstange bezüglich eines Zylindergehäuses - Google Patents

Vorrichtung zur Messung der axialen Position einer Kolbenstange bezüglich eines Zylindergehäuses Download PDF

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EP2226514B1
EP2226514B1 EP09003286A EP09003286A EP2226514B1 EP 2226514 B1 EP2226514 B1 EP 2226514B1 EP 09003286 A EP09003286 A EP 09003286A EP 09003286 A EP09003286 A EP 09003286A EP 2226514 B1 EP2226514 B1 EP 2226514B1
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EP
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piston rod
cylinder
sensors
structures
annular
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EP2226514A1 (de
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Josef Siraky
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Sick Stegmann GmbH
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Sick Stegmann GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2884—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using sound, e.g. ultrasound
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2861—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using magnetic means

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the axial position of a piston rod with respect to a cylinder housing of a fluid pressure actuated cylinder-piston unit according to the preamble of patent claim 1.
  • the piston rod For measuring the position of the pliers, it is known to form the piston rod with an axially extending material measure, which is scanned by a arranged on the cylinder housing sensor device. From the DE 100 20 764 A1 and the DE 196 48 335 C2 For this purpose, it is known to use a permanent magnetic material measure in the jacket of the piston rod or in the interior of the tubular piston rod. The onset of such a permanent magnetic material measure is expensive. Since the material measure is designed as a strip extending in the axial direction, the piston rod must be guided secured against rotation.
  • a device for measuring the axial position of a piston rod with respect to a cylinder housing of a fluid pressure actuated cylinder-piston unit is known.
  • an axially extending strip-shaped material measure is incorporated, the consists of radially over the lateral surface protruding elevations or in this lateral surface dipping depressions.
  • Two magnetic sensors spaced apart in the axial direction scan this material measure.
  • the material measure is coated with a chrome coating. The incorporation of the material measure in the piston rod is expensive.
  • a further increased manufacturing expense results from the fact that the material measure must be provided with a chrome facing, whereupon the lateral surface of the piston rod must be turned off again for a sealed guide in the cylinder housing.
  • the strip-shaped dimensional standard also makes a torsion-proof guidance of the piston rod necessary here. The material measure is scanned incrementally, so that at the beginning of the movement of the piston rod in each case first a reference position must be approached.
  • the invention is based on the object to provide a device for measuring the axial position of a piston rod with respect to a cylinder housing, which has a robust and simple to manufacture construction and allows versatile use.
  • the piston rod is formed with a material measure, which is formed from the piston rods horizontally enclosing ring structures, eg from surveys or depressions. Since these ring structures surround the piston rod concentrically, the piston rod can be produced with these ring structures in a simple manner, in particular for example by turning or grinding. Due to the rotationally symmetrical design of the ring structures, the material measure can be scanned in any rotational position of the piston rod, so that a non-rotatable guidance of the piston rod is not necessary and the unit can be used more versatile. Thus, the piston rod can be performed axially displaceable sealed, a tube is pushed onto the piston rod coaxially as a cover of the material measure.
  • the tube is made of a wear-resistant material to minimize friction wear during axial movement.
  • the tube is supported radially on the outer circumference of the ring structures. The tube therefore does not have to absorb any radial forces and can therefore be thin-walled.
  • the production of the tube is simple and the sliding of the tube on the piston rod is a simple assembly process.
  • the ring structures form an absolutely coded dimensional measure of the position, so that the position of the piston rod is immediately available even when starting after a business interruption.
  • the material measure of the piston rod is divided by equidistant dimensional ring structures into periodically successive sections. Each of these subsections is scanned absolutely by the sensor device, so that the piston position within the respective subsection can be determined absolutely.
  • an assignment ring structure is further arranged. The axial position of this allocation ring structure within the respective subsection is different for each subsection. The axial position of the assignment ring structure within the respective subsection is thus an unambiguous characteristic of the respective subsection and can unambiguously define its position within the entire axial material measure. From this unique assignment of the subsection and from the absolute position measurement within the subsection, an absolute position measurement over the entire stroke of the piston rod can thus be obtained.
  • the accuracy of the position determination depends only on the accuracy of the absolute measurement within the sections, while the total length of the measurable stroke of this can be independently selected by the number of sections.
  • the sensor device has a plurality of sensors which are arranged in a line running parallel to the axis of the piston rod.
  • the sensor means has an axial length (i.e., the axial distance of the outermost sensors) at least equal to the axial length of the sections.
  • the sensor device can respectively detect the dimensional ring structures forming the current partial section in order to interpolate the position of the piston rod within this partial section. Likewise, this ensures that the position of the assignment ring structure can be detected within the measurement ring structures.
  • the sensors can be designed in a manner known per se.
  • magnetoresistive sensors, inductive sensors or eddy-current sensors can be used.
  • the magnetic field of these sensors is influenced by the ring structures of the piston rod and their axial position relative to the respective sensors. Accordingly, the individual sensors of the sensor device provide different signals whose Amplitude of the respective different axial position of the ring structure with respect to this sensor depends. From the ratio of the signal amplitudes of the various sensors of the sensor device, the position of the ring structures with respect to the sensor device can be determined in a subsequent evaluation.
  • the piston rod with the ring structures of a soft magnetic material eg. B. from a suitable iron alloy.
  • this tube consists of a "magnetically transparent" material, ie of a diamagnetic or paramagnetic material.
  • This can be for example a plastic.
  • a metallic material is preferred, this may in particular a non-magnetic steel, for. B. be an austenitic steel.
  • a hydraulic or pneumatic cylinder-piston unit has a cylinder housing 10.
  • a piston 12 is mounted axially displaceable and sealed by a sealing ring 14 against the cylinder wall. Via connections 16, the cylinder chambers can be acted on both sides of the piston 12 with fluid pressure.
  • the piston 12 is connected to a coaxially arranged piston rod 18, which emerges axially guided out of the cylinder housing 10, wherein a sealing ring 20 seals the piston rod 18 on its outer periphery.
  • the cylinder space, the piston 12 and the piston rod 18 have a coaxial circular cross section, so that the piston rod 12 is rotatable about its axis.
  • the piston rod 18 has on its outer circumference ring structures which surround the piston rod 18 concentrically and in the illustrated embodiment are formed by grooves inserted into the lateral surface turned grooves 22 and 24. Axially on the piston rod 18, a tube 26 is pushed, which rests radially close to the outer periphery of the piston rod 18. The tube 26 thus forms the outer peripheral surface of the piston rod 18, on which the sealing ring 20 rests and with which the piston rod 18 is guided axially displaceably in the cylinder housing 10.
  • a sensor device 28 disposed adjacent to the outer circumference of the tube 26 at a small distance and the piston rod 18 scans with the ring structures.
  • the sensor device 28 consists of a plurality of sensors, which are arranged in a row parallel to the axis of the piston rod 18 in succession.
  • the sensors of the sensor device 28 may be formed in different ways known per se.
  • the sensors of the sensor device may be magnetoresistive sensors.
  • the magnetic field of these sensors which is axially parallel to the piston rod 18, depends on the magnetic flux in the surface of the piston rod 18, so that a high magnetic flux and thus a large signal amplitude of the sensors results when an area between the recessed grooves 22 and 24 is in an axial position located at the respective sensor.
  • the piston rod In order to guide the magnetic field in the surface of the piston rod 18, the piston rod 18, at least in its outer peripheral region of a soft magnetic material.
  • the pushed-on tube 26 is preferably made of a non-magnetic stainless steel z. B. from an austenitic steel alloy.
  • the sensors of the sensor device 28 are inductive sensors that operate on the principle of a transformer.
  • the magnetic alternating field of these sensors is thereby magnetically short-circuited via the mantle regions of the piston rod 18 between the grooves 22 and 24, so that here too a large signal amplitude results when the piston rod 18 with an axial region between the grooves 22 and 24 in the position of the respective sensor, while the grooves 22 and 24 lead to a reduction of the sensor signal.
  • the piston rod 18 is made of a soft magnetic material and the tube 26 made of a magnetically transparent material.
  • the sensors of the sensor device 28 may be eddy current sensors in which an alternating magnetic field of the sensors in the outer jacket layer of the piston rod 18 generates eddy currents when the axial regions of the piston rod 18 between the grooves 22 and 24 in the axial position of the respective sensor are located.
  • the recessed grooves 22 and 24 interrupt the magnetic field and thus the formation of eddy currents.
  • the piston rod 18 must have good electrical conductivity at least in its outer jacket layer.
  • the deferred tube 26 must also consist in this embodiment of a magnetically transparent material that does not shield the alternating magnetic field of the sensors.
  • the sensors of the sensor device 28 may also be ultrasonic sensors.
  • the mantle surface of the piston rod 18 is scanned by the sensor device 28 with ultrasound in order to determine the ring structures in their axial position.
  • the material of the pushed tube 26 must have a good ultrasonic permeability, while the material of the piston rod 18 must reflect the ultrasound.
  • FIG. 2 shows in one embodiment, the coding of the piston rod 18 through the grooves 22 and 24 for the absolute determination of the position of the piston rod 18 with respect to the cylinder housing 10 arranged on the sensor device 28th
  • the piston rod 18 has annular structures formed on its outer circumference by concentric grooves that are screwed in.
  • grooves 22 are provided which are arranged equidistantly over the entire axial length of the stroke to be measured of the piston rod 18 and limitutz-ring structures each having a constant length a.
  • the titan-ring structures formed by the grooves 22 define in each case in the axial direction periodically adjoining sections a 1 , a 2 whil a n .
  • each of these sections a 1 , a 2 ... A n there is an assignment ring structure formed by a groove 24.
  • the axial position of this assignment ring structure within the respective subsection a 1 , a 2 ... A n differs for each subsection a 1 , a 2 ... A n from all other subsections.
  • the respective axial position of the assignment ring structure within the associated subsection a 1 , a 2 ... A n thus represents a clear identification of the respective subsection.
  • the example shown shifts the axial position of the groove 24 of the allocation ring structure within the respective subsection in each case by an axial distance d from a subsection to the subsequent subsection.
  • this is shown for an axial section of the piston rod 18.
  • the groove 24 of the allocation ring structure is displaced axially by the distance 9d from the end of the subsection a 9 formed by the groove 22.
  • the groove 24 is displaced by the axial distance 10d against the end of this section a 10 determined by the groove 22, etc.
  • the sensor device 28 determines the axial position of the limited by the grooves 22 technically-ring structures, which can be determined by the arranged in a line sensors of the sensor device 28, the axial position of the piston rod 18 within the respective section a n absolutely. Furthermore, the axial position of the association ring structure formed by the groove 24 within the respective subsection a n is determined by the sensor device 28, so that the assignment of the absolute position value within the subsection a n can be unambiguously assigned to the respective subsection. In an evaluation connected downstream of the sensor device, the identification of the subsection a n obtained by means of the association ring structure is combined with the position determined absolutely within this subsection a n to form an absolute position determination over the entire length of the piston rod 18.
  • the constant distance of the grooves 22 and thus the axial length of the sections is selected according to the required resolution of the axial position measurement and the formation of the sensor device 28.
  • This axial length a of the sections can be, for example, of the order of 50 mm.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der axialen Position einer Kolbenstange bezüglich eines Zylindergehäuses eines fluiddruckbetätigten Zylinder-Kolben-Aggregats gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Für viele Anwendungen von fluiddruckbetätigten Zylinder-Kolben-Aggregaten, d. h. von pneumatischen oder hydraulischen Aggregaten, ist es erforderlich, die Position der Kolbenstange bezüglich des in der Regel fest montierten Zylindergehäuses zu messen. Die Ermittlung der Position der Kolbenstange und gegebenenfalls von dieser Position abgeleiteter Größen, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung, sind beispielsweise erforderlich, wenn solche Aggregate als Servo- oder Stellantrieb in der Automatisierung eingesetzt werden.
  • Zur Messung der Position der Kolbenzange ist es bekannt, die Kolbenstange mit einer axial verlaufenden Maßverkörperung auszubilden, die durch eine an dem Zylindergehäuse angeordnete Sensoreinrichtung abgetastet wird. Aus der DE 100 20 764 A1 und der DE 196 48 335 C2 ist es hierzu bekannt, eine permanentmagnetische Maßverkörperung in den Mantel der Kolbenstange oder in das Innere der rohrförmigen Kolbenstange einzusetzen. Das Einsetzen einer solchen permanentmagnetischen Maßverkörperung ist aufwendig. Da die Maßverkörperung als in Axialrichtung verlaufender Streifen ausgebildet ist, muss die Kolbenstange gegen Rotation gesichert geführt werden.
  • Aus der DE 198 01 091 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der axialen Position einer Kolbenstange bezüglich eines Zylindergehäuses eines fluiddruckbetätigten Zylinder-Kolben-Aggregats bekannt. In die Mantelfläche der Kolbenstange ist eine axial verlaufende streifenförmige Maßverkörperung eingearbeitet, die aus radial über die Mantelfläche überstehenden Erhebungen oder in diese Mantelfläche eintauchenden Vertiefungen besteht. Zwei in axialer Richtung beabstandete magnetische Sensoren tasten diese Maßverkörperung ab. Um die Kolbenstange in dem Zylindergehäuse verschiebbar und abgedichtet zu führen, wird die Maßverkörperung mit einer Chrombeschichtung überzogen. Das Einarbeiten der Maßverkörperung in die Kolbenstange ist aufwendig. Ein weiterer erhöhter Herstellungsaufwand ergibt sich daraus, dass die Maßverkörperung mit einer Chrombesichtung versehen werden muss, worauf die Mantelfläche der Kolbenstange nochmals für eine abgedichtete Führung in dem Zylindergehäuse abgedreht werden muss. Die streifenförmige Maßverkörperung macht auch hier eine verdrehsichere Führung der Kolbenstange notwendig. Die Maßverkörperung wird inkremental abgetastet, so dass bei Beginn der Bewegung der Kolbenstange jeweils zunächst eine Referenzposition angefahren werden muss.
  • Als weiterer Stand der Technik wird die EP 1 721 087 B1 genannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Messung der axialen Position einer Kolbenstange bezüglich eines Zylindergehäuses zu schaffen, die einen robusten und in der Herstellung einfachen Aufbau aufweist und einen vielseitigen Einsatz ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Kolbenstange mit einer Maßverkörperung ausgebildet, die aus die Kolbenstangen horizontal umschließenden Ringstrukturen gebildet ist, z.B. aus Erhebungen oder Vertiefungen. Da diese Ringstrukturen die Kolbenstange konzentrisch umschließen, kann die Kolbenstange mit diesen Ringstrukturen in einfacher Weise hergestellt werden, insbesondere z.B. durch Drehen oder Schleifen. Auf Grund der rotationssymmetrischen Ausbildung der Ringstrukturen kann die Maßverkörperung in jeder Rotationsstellung der Kolbenstange abgetastet werden, so dass eine unverdrehbare Führung der Kolbenstange nicht notwendig ist und das Aggregat vielseitiger eingesetzt werden kann. Damit die Kolbenstange abgedichtet axial verschiebbar geführt werden kann, wird auf die Kolbenstange koaxial ein Rohr als Abdeckung der Maßverkörperung aufgeschoben. Das Rohr besteht aus einem verschleißfesten Material, um den Reibungsverschleiß bei der axialen Bewegung minimal zu halten. Das Rohr ist radial am Außenumfang der Ringstrukturen abgestützt. Das Rohr muss daher keine radialen Kräfte aufnehmen und kann somit dünnwandig ausgebildet sein. Die Herstellung des Rohres ist einfach und das Aufschieben des Rohres auf die Kolbenstange stellt einen einfachen Montagevorgang dar. Die Ringstrukturen bilden eine absolut codierte Maßverkörperung der Position, so dass die Position der Kolbenstange auch beim Start nach einer Betriebsunterbrechung sofort zur Verfügung steht.
  • Erfindungsgemäß wird die Maßverkörperung der Kolbenstange durch äquidistante Maß-Ringstrukturen in periodisch aufeinanderfolgende Teilabschnitte unterteilt. Jeder dieser Teilabschnitte wird durch die Sensoreinrichtung absolut abgetastet, so dass die Kolbenposition innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes absolut ermittelt werden kann. Innerhalb jedes Teilabschnittes ist weiter eine Zuordnungs-Ringstruktur angeordnet. Die axiale Lage dieser Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes ist für jeden Teilabschnitt verschieden. Die axiale Lage der Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes ist somit ein eindeutiges Kennzeichen des jeweiligen Teilabschnittes und kann dessen Position innerhalb der gesamten axialen Maßverkörperung eindeutig definieren. Aus dieser eindeutigen Zuordnung des Teilabschnittes und aus der absoluten Positionsmessung innerhalb des Teilabschnittes kann somit eine absolute Positionsmessung über den gesamten Hubweg der Kolbenstange erhalten werden. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt dabei nur von der Genauigkeit der Absolutmessung innerhalb der Teilabschnitte ab, während die Gesamtlänge des messbaren Hubweges hiervon unabhängig durch die Anzahl der Teilabschnitte gewählt werden kann.
  • Die Sensoreinrichtung weist mehrere Sensoren auf, die in einer achsparallel zur Kolbenstange verlaufenden Linie angeordnet sind. Ist die Maßverkörperung in Teilabschnitte unterteilt, so hat die Sensoreinrichtung eine axiale Länge (d.h. axialer Abstand der äußersten Sensoren), die mindestens gleich der axialen Länge der Teilabschnitte ist. Dadurch kann die Sensoreinrichtung jeweils die den aktuellen Teilabschnitt bildenden Maß-Ringstrukturen erfassen, um die Position der Kolbenstange innerhalb dieses Teilabschnittes zu interpolieren. Ebenso ist dadurch gewährleistet, dass die Lage der Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb der Maß-Ringstrukturen erfasst werden kann.
  • Die Sensoren können in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Es können insbesondere magnetoresistive Sensoren, induktive Sensoren oder Wirbelstromsensoren verwendet werden. Das Magnetfeld dieser Sensoren wird durch die Ringstrukturen der Kolbenstange und deren axiale Lage relativ zu den jeweiligen Sensoren beeinflusst. Dementsprechend liefern die einzelnen Sensoren der Sensoreinrichtung unterschiedliche Signale, deren Amplitude von der jeweils unterschiedlichen axialen Position der Ringstruktur bezüglich dieses Sensors abhängt. Aus dem Verhältnis der Signalamplituden der verschiedenen Sensoren der Sensoreinrichtung lässt sich die Position der Ringstrukturen bezüglich der Sensoreinrichtung in einer nachgeschalteten Auswertung ermitteln. Um das Magnetfeld für diese Sensoren durch die Ringstrukturen der Kolbenstange zu beeinflussen, besteht die Kolbenstange mit den Ringstrukturen aus einem weichmagnetischen Werkstoff, z. B. aus einer geeigneten Eisenlegierung. Damit das über die Kolbenstange geschobene Rohr das Magnetfeld nicht abschirmt, besteht dieses Rohr aus einem "magnetisch durchsichtigen" Werkstoff, d. h. aus einem diamagnetischen oder paramagnetischen Werkstoff. Dies kann beispielsweise ein Kunststoff sein. Um die nötige Verschleißfestigkeit zu gewährleisten, wird ein metallischer Werkstoff bevorzugt, dies kann insbesondere ein nichtmagnetischer Stahl, z. B. ein austenitischer Stahl sein.
  • Es ist auch möglich, die Maßverkörperung der Kolbenstange durch eine Sensoreinrichtung mit Ultraschall-Sensoren abzutasten. Um die durch das aufgeschobene Rohr abgedeckte Maßverkörperung ultraschallsichtbar zu machen, ist es hierbei erforderlich, dass die Werkstoffe der Kolbenstange und des aufgeschobenen Rohres einen unterschiedlichen Schallwellenwiderstand aufweisen, so dass eine Reflexion der Schallwellen an der Oberfläche der Kolbenstange mit den Ringstrukturen auftritt und durch das aufgeschobene Rohr messbar ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    im Axialschnitt schematisch ein Zylinder-Kolben- Aggregat mit einer Vorrichtung zur Messung der axia- len Position der Kolbenstange und
    Fig. 2
    die absolute Codierung der Kolbenstange.
  • Ein hydraulisches oder pneumatisches Zylinder-Kolben-Aggregat weist ein Zylindergehäuse 10 auf. In dem Zylinderraum des Zylindergehäuses 10 ist ein Kolben 12 axial verschiebbar gelagert und mittels eines Dichtungsringes 14 gegen die Zylinderwand abgedichtet. Über Anschlüsse 16 können die Zylinderräume beiderseits des Kolbens 12 mit Fluiddruck beaufschlagt werden. Der Kolben 12 ist mit einer koaxial angeordneten Kolbenstange 18 verbunden, die axial geführt aus dem Zylindergehäuse 10 austritt, wobei ein Dichtungsring 20 die Kolbenstange 18 an ihrem Außenumfang abdichtet. Der Zylinderraum, der Kolben 12 und die Kolbenstange 18 weisen einen koaxialen kreisförmigen Querschnitt auf, so dass die Kolbenstange 12 um ihre Achse drehbar ist.
  • Die Kolbenstange 18 weist an ihrem Außenumfang Ringstrukturen auf, die die Kolbenstange 18 konzentrisch umschließen und im dargestellten Ausführungsbeispiel durch in die Mantelfläche eingestochen gedrehte Rillen 22 und 24 gebildet sind. Axial auf die Kolbenstange 18 ist ein Rohr 26 aufgeschoben, welches radial dicht am Außenumfang der Kolbenstange 18 anliegt. Das Rohr 26 bildet somit die Außenumfangsfläche der Kolbenstange 18, an welcher der Dichtungsring 20 anliegt und mit welcher die Kolbenstange 18 in dem Zylindergehäuse 10 axial verschiebbar geführt ist.
  • An dem Ende des Zylindergehäuses 10, an welchem die Kolbenstange 18 austritt, ist an dem Zylindergehäuse 10 eine Sensoreinrichtung 28 angeordnet, die an den Außenumfang des Rohres 26 mit geringem Abstand angrenzt und die Kolbenstange 18 mit den Ringstrukturen abtastet.
  • Die Sensoreinrichtung 28 besteht aus mehreren Sensoren, die in einer zur Achse der Kolbenstange 18 parallelen Linie aufeinander folgend in einer Reihe angeordnet sind. Die Sensoren der Sensoreinrichtung 28 können in unterschiedlicher, an sich bekannter Weise ausgebildet sein.
  • Die Sensoren der Sensoreinrichtung können magnetoresistive Sensoren sein. Das zur Kolbenstange 18 achsparallele Magnetfeld dieser Sensoren hängt von dem Magnetfluss in der Oberfläche der Kolbenstange 18 ab, so dass sich ein hoher Magnetfluss und damit eine große Signalamplitude der Sensoren ergibt, wenn sich ein Bereich zwischen den vertieften Rillen 22 und 24 in einer axialen Position an dem jeweiligen Sensor befindet. Die vertieften Rillen 22 und 24 unterbrechen dagegen den magnetischen Fluss in der Oberfläche der Kolbenstange 18, so dass sich die Signalamplitude des jeweiligen Sensors verringert, wenn sich eine der Rillen 22 und 24 axial im Bereich des jeweiligen Sensors befindet. Um das Magnetfeld in der Oberfläche der Kolbenstange 18 zu leiten, besteht die Kolbenstange 18 zumindest in ihrem Außenumfangsbereich aus einem weichmagnetischen Werkstoff. Damit der Magnetfluss nicht durch das aufgeschobene Rohr 26 abgeschirmt wird, besteht dieses aus einem "magnetisch durchsichtigen" Werkstoff, d. h. aus einem diamagnetischen oder paramagnetischen Werkstoff. Im Hinblick auf die Abriebsfestigkeit und diese magnetischen Eigenschaften besteht das aufgeschobene Rohr 26 vorzugsweise aus einem unmagnetischen Edelstahl z. B. aus einer austenitischen Stahllegierung.
  • In einer anderen Ausführung sind die Sensoren der Sensoreinrichtung 28 induktive Sensoren, die nach dem Prinzip eines Transformators arbeiten. Das magnetische Wechselfeld dieser Sensoren wird dabei über die Mantelbereiche der Kolbenstange 18 zwischen den Rillen 22 und 24 magnetisch kurzgeschlossen, so dass sich auch hier eine große Signalamplitude ergibt, wenn sich die Kolbenstange 18 mit einem axialen Bereich zwischen den Rillen 22 und 24 in der Position des jeweiligen Sensors befindet, während die Rillen 22 und 24 zu einer Verringerung des Sensorsignals führen. Auch in dieser Ausführung ist die Kolbenstange 18 aus einem weichmagnetischen Werkstoff und das Rohr 26 aus einem magnetisch durchsichtigen Werkstoff gefertigt.
  • Weiter können die Sensoren der Sensoreinrichtung 28 Wirbelstrom-Sensoren sein, bei welchen ein magnetisches Wechselfeld der Sensoren in der äußeren Mantelschicht der Kolbenstange 18 Wirbelströme erzeugt, wenn sich die axialen Bereiche der Kolbenstange 18 zwischen den Rillen 22 und 24 in der axialen Position des jeweiligen Sensors befinden. Die vertieften Rillen 22 und 24 unterbrechen das Magnetfeld und damit die Entstehung von Wirbelströmen. In dieser Ausführung muss die Kolbenstange 18 zumindest in ihrer äußeren Mantelschicht eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Das aufgeschobene Rohr 26 muss auch in dieser Ausführung aus einem magnetisch durchsichtigen Werkstoff bestehen, der das magnetische Wechselfeld der Sensoren nicht abschirmt.
  • Schließlich können die Sensoren der Sensoreinrichtung 28 auch Ultraschall-Sensoren sein. In dieser Ausführung wird die Manteloberfläche der Kolbenstange 18 durch die Sensoreinrichtung 28 mit Ultraschall abgetastet, um die Ringstrukturen in ihrer axialen Lage zu ermitteln. Um die durch das aufgeschobene Rohr 26 abgedeckte Mantelfläche der Kolbenstange 18 mittels der Ultraschall-Sensoren abtasten zu können, muss der Werkstoff des aufgeschobenen Rohres 26 eine gute Ultraschall-Durchlässigkeit aufweisen, während der Werkstoff der Kolbenstange 18 den Ultraschall reflektieren muss.
  • Figur 2 zeigt in einem Ausführungsbeispiel die Codierung der Kolbenstange 18 durch die Rillen 22 und 24 zur absoluten Ermittlung der Position der Kolbenstange 18 in Bezug auf die am Zylindergehäuse 10 angeordnete Sensoreinrichtung 28.
  • Die Kolbenstange 18 weist an ihrem Außenumfang durch konzentrische eingedrehte Rillen gebildete Ringstrukturen auf. Dabei sind Rillen 22 vorgesehen, die äquidistant auf der gesamten axialen Länge des zu messenden Hubweges der Kolbenstange 18 angeordnet sind und Maß-Ringstrukturen jeweils konstanter Länge a begrenzen. Damit definieren die durch die Rillen 22 gebildeten Maß-Ringstrukturen jeweils in axialer Richtung periodisch aneinander anschließende Teilabschnitte a1, a2......an.
  • Innerhalb jedes dieser Teilabschnitte a1, a2 ... an befindet sich eine durch eine Rille 24 gebildete Zuordnungs-Ringstruktur. Die axiale Lage dieser Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes a1, a2...an unterscheidet sich für jeden Teilabschnitt a1, a2 ... an von allen anderen Teilabschnitten. Die jeweilige axiale Lage der Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb des zugehörigen Teilabschnittes a1, a2 ... an stellt somit eine eindeutige Identifizierung des jeweiligen Teilabschnittes dar.
  • In dem in Figur 2 gezeigten Beispiel verschiebt sich die axiale Lage der Rille 24 der Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes jeweils um eine axiale Distanz d von einem Teilabschnitt zu dem nachfolgenden Teilabschnitt. In Figur 2 ist dies für einen axialen Ausschnitt der Kolbenstange 18 gezeigt. In dem 9. Teilabschnitt a9 ist die Rille 24 der Zuordnungs-Ringstruktur um die Distanz 9d axial gegenüber dem durch die Rille 22 gebildeten Ende des Teilabschnittes a9 verschoben. In dem folgenden Teilabschnitt a10 ist die Rille 24 um die axiale Distanz 10d gegen das durch die Rille 22 bestimmte Ende dieses Teilabschnittes a10 verschoben usw.
  • Die Sensoreinrichtung 28 ermittelt die axiale Position der durch die Rillen 22 begrenzten Maß-Ringstrukturen, wobei durch die in einer Linie angeordneten Sensoren der Sensoreinrichtung 28 die axiale Position der Kolbenstange 18 innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes an absolut bestimmt werden kann. Weiter wird durch die Sensoreinrichtung 28 die axiale Lage der durch die Rille 24 gebildeten Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb des jeweiligen Teilabschnittes an ermittelt, so dass die Zuordnung des absoluten Positionswertes innerhalb des Teilabschnittes an dem jeweiligen Teilabschnitt eindeutig zugeordnet werden kann. In einer der Sensoreinrichtung nachgeschalteten Auswertung werden die mittels der Zuordnungs-Ringstruktur erhaltene Identifizierung des Teilabschnittes an mit der innerhalb dieses Teilabschnittes an absolut ermittelten Position zu einer absoluten Positionsbestimmung über die gesamte Länge der Kolbenstange 18 zusammengefügt.
  • Der konstante Abstand der Rillen 22 und damit die axiale Länge der Teilabschnitte wird entsprechend der geforderten Auflösung der axialen Positionsmessung und der Ausbildung der Sensoreinrichtung 28 gewählt. Diese axiale Länge a der Teilabschnitte kann beispielsweise in der Größenordnung von 50 mm liegen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Zylindergehäuse
    12
    Kolben
    14
    Dichtungsring
    16
    Anschlüsse
    18
    Kolbenstange
    20
    Dichtungsring
    22
    Rillen der Maß-Ringstrukturen
    24
    Rillen der Zuordnungs-Ringstrukturen
    26
    Rohr
    28
    Sensoreinrichtung

Claims (10)

  1. Fluiddruckbetätigtes Zylinder-Kolben-Aggregat mit einem Zylindergehäuse (10) und einer Kolbenstange (18), mit in der Mantelfläche der Kolbenstange (18) ausgebildeten Strukturen von Erhebungen oder Vertiefungen, die eine αxial verlaufende Maßverkörperung bilden, mit einer an dem Zylindergehäuse (10) angeordneten Sensoreinrichtung (28), die die Struktur mit in Axialrichtung beabstandeten Sensoren zur Positionsbestimmung berührungslos abtastet, und mit einer verschleißfesten Abdeckung der Struktur zur Führung in dem Zylindergehäuse (10), wobei die Strukturen die Kolbenstange (18) konzentrisch umschließende Ringstrukturen sind, wobei die Abdeckung ein koaxial auf die Kolbenstange (19) aufgeschobenes Rohr (26) ist und wobei die Ringstrukturen eine absolut codierte Maßverkörperung bilden,
    dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung der Kolbenstange (18) äquidistant angeordnete Maß-Ringstrukturen die Maßverkörperung in jeweils periodisch aufeinanderfolgende absolut abgetastete Teilabschnitte (an) unterteilen und dass in jedem Teilabschnitt (an) jeweils eine Zuordnungs-Ringstruktur angeordnet ist, wobei die axiale Lage der Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb eines Teilabschnittes (an) von der axialen Lage der Zuordnungs-Ringstruktur in jedem anderen Teilabschnitt verschieden ist und zur eindeutigen Zuordnung des jeweiligen Teilabschnittes (an) dient.
  2. Zylinder-Kolben-Aggregat nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (28) in axialer Richtung mindestens die Länge eines Teilabschnittes (an) aufweist.
  3. Zylinder-Kolben-Aggregat nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (28) mehrere in axialer Richtung aufeinanderfolgende Sensoren aufweist, deren Signale von ihrem jeweiligen Abstand von den Ringstrukturen abhängen, dass die Signale einerseits zur absoluten Bestimmung der Position der Kolbenstange (18) innerhalb eines Teilabschnittes (an) und andererseits zur Ermittlung der Position der Zuordnungs-Ringstruktur innerhalb dieses Teilabschnittes (an) ausgewertet werden und dass aus beiden Werten die absolute Position der Kolbenstange (18) gebildet wird.
  4. Zylinder-Kolben-Aggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ringstrukturen durch in die Mantelfläche der Kolbenstange (18) eingearbeitete Rillen (22, 24) gebildet sind.
  5. Zylinder-Kolben-Aggregat nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Maß-Ringstrukturen durch Rillen (22) begrenzt sind und die Zuordnungs-Ringstrukturen durch Rillen (24) gebildet sind.
  6. Zylinder-Kolben-Aggregat nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (26) radial dicht an dem Umfang der Kolbenstange (18) anliegt.
  7. Zylinder-Kolben-Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (18) aus einem weichmagnetischen Werkstoff und das Rohr (26) aus einem magnetisch durchsichtigen Werkstoff besteht.
  8. Zylinder-Kolben-Aggregat nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (26) aus einem nichtmagnetischen Edelstahl, insbesondere einem austenitischen Stahl besteht.
  9. Zylinder-Kolben-Aggregat nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (28) magnetoresistive Sensoren, induktive Sensoren oder Wirbelstrom-Sensoren aufweist.
  10. Zylinder-Kolben-Aggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (28) Ultraschall-Sensoren aufweist und dass die Kolbenstange (18) aus einem ultraschallreflektierenden Werkstoff und das Rohr (26) aus einem ultraschalldurchlässigen Werkstoff besteht.
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